讓下一代智能互聯(lián)嵌入式應(yīng)用開發(fā)更簡(jiǎn)化

Cortex-M處理器家族是一系列具有擴(kuò)展性，兼容性，節(jié)能和易于使用的處理器，旨在幫助開發(fā)人員滿足未來(lái)智能互聯(lián)嵌入式應(yīng)用的需要。2010年推出的Cortex-M4是建立在Cortex-M3的基礎(chǔ)上并加入了一系列專門為數(shù)字信號(hào)處理定制的指令集擴(kuò)展，并搭配可選的性能可達(dá)1.25 DMIPS/ MHz的單精度浮點(diǎn)單元。自推出以來(lái)，有10家以上的半導(dǎo)體廠商推出了基于Cortex-M4的通用MCU產(chǎn)品，以及非常廣泛的基于Cortex-M4的sensor hub產(chǎn)品。

在過(guò)去的幾年里，對(duì)支持互聯(lián)的嵌入式系統(tǒng)的功能特性和處理能力的需求變得更加苛刻。即使是最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，也預(yù)期支持多種連接方式，圖形用戶界面，人機(jī)界面，語(yǔ)音識(shí)別或其他自然的交互方式。處理器需要變得更加強(qiáng)大，并能提供更多的本地處理能力。在汽車行業(yè)和工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的微控制器需要支持更高的處理能力和CPU性能提升，對(duì)計(jì)算精度和短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)的要求在迅速提高。這些未來(lái)系統(tǒng)的要求包括：以較低的成本提供更多的功能，增加連接性，更好的代碼重復(fù)利用，以及提高能效。正是著眼于這樣的未來(lái)需求，ARM和合作伙伴一起設(shè)計(jì)了當(dāng)前Cortex-M家族中性能最強(qiáng)的ARM Cortex-M7處理器。

近觀Cortex-M7

Cortex-M7能夠應(yīng)對(duì)最嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境，并克服了以前基于Cortex-M處理器的解決方案所面臨的問(wèn)題，性能達(dá)到了上一代Cortex-M4的兩倍，大約為5 CoreMark/ MHz。Cortex-M7是專為各種嵌入式應(yīng)用，包括微控制器，汽車控制器，工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線通信控制器(例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò))設(shè)計(jì)的。對(duì)于那些熟悉Cortex-M系列CPU的嵌入式應(yīng)用開發(fā)者來(lái)說(shuō)，Cortex-M7基于Cortex-M架構(gòu)，從架構(gòu)上兼容從Cortex-M0以來(lái)的所有產(chǎn)品(圖1)。

圖1

ARM Cortex-M7處理器特性

Cortex-M7包含六階段的超標(biāo)量流水線，并和緊耦合內(nèi)存、高速緩存和大內(nèi)存支持選項(xiàng)集成在一起以提供整數(shù)、浮點(diǎn)和DSP處理能力并保證確定性的行為。Cortex-M7先進(jìn)的流水線能提供相對(duì)于Cortex-M4更高的性能，允許在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行兩條指令。

Cortex-M7開發(fā)的一大重點(diǎn)是相對(duì)于之前的Cortex-M系列處理器提高IPC(instructions-per-clock)效率。Cortex -M7是Cortex-M家族中第一個(gè)提高最高64KB指令和數(shù)據(jù)緩存選項(xiàng)的處理器，高速緩存能提供對(duì)更大的存儲(chǔ)器系統(tǒng)的有效操作(外存通常比處理器慢很多)。此外還添加了緊耦合內(nèi)存接口，集成ECC支持。對(duì)內(nèi)存的快速訪問(wèn)使得高速中斷處理和實(shí)時(shí)應(yīng)用處理成為可能。這樣的集成使得工程師們可以在內(nèi)部緩存中執(zhí)行大部分代碼，以減少對(duì)外部存儲(chǔ)器讀寫訪問(wèn)，從而降低功耗。

Cortex-M7也提供了對(duì)每個(gè)內(nèi)部緩存單元增加ECC支持的選項(xiàng)，以提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于給定解決方案，如果某個(gè)內(nèi)存位置的單個(gè)比特值被破壞，該數(shù)據(jù)可被校正和恢復(fù)。除了ECC，存儲(chǔ)器系統(tǒng)也可以通過(guò)可選的存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)設(shè)定8或16個(gè)區(qū)域?yàn)槭鼙Ｗo(hù)區(qū)域以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

為了支持提高了的CPU處理能力，內(nèi)存系統(tǒng)也從32位AXI總線改進(jìn)為64位AXI總線，64位AXI比32位AXI提供了更大的帶寬，并支持多個(gè)outstanding transfer以最大化系統(tǒng)性能。為了易于集成在先前的Cortex-M設(shè)計(jì)中使用的傳統(tǒng)外圍設(shè)備，還有一個(gè)可選的低延遲AHB外設(shè)總線接口。為了允許靈活的中斷管理和低中斷延遲，集成嵌套矢量中斷控制器(NVIC)用1到240個(gè)中斷，以及3至8位可編程優(yōu)先級(jí)寄存器實(shí)現(xiàn)與處理器的緊密集成。此外，還有ETM支持，專為CoreSight(ARM支持全系統(tǒng)調(diào)試和跟蹤的架構(gòu))設(shè)計(jì)。

Cortex-M7包含的雙精度支持可選項(xiàng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了Cortex-M家族的浮點(diǎn)能力。如果FPU存在時(shí)，還支持整數(shù)和浮點(diǎn)指令的并發(fā)。鑒于存在大量基于Cortex-M7的MCU應(yīng)用，它還具有完全的強(qiáng)大的調(diào)試功能，以及可選的全指令和數(shù)據(jù)跟蹤支持。對(duì)已經(jīng)使用了Cortex-M4處理器的設(shè)備，在應(yīng)用對(duì)性能的要求提高時(shí)，前述特性使得Cortex-M7成為一種極具吸引力的解決方案。

遷移設(shè)計(jì)到Cortex-M7

鑒于大多數(shù)嵌入式工程師和開發(fā)人員都熟悉Cortex-M4，讓我們來(lái)看看Cortex-M7帶來(lái)的一些軟件開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。從開發(fā)者的角度來(lái)看，在Cortex-M7支持所有的Cortex-M4處理器指令，并使用相同的中斷模型來(lái)處理異常。在大多數(shù)情況下，針對(duì)Cortex-M4處理器編寫的程序代碼應(yīng)該可以在Cortex-M7處理器上沒(méi)有任何問(wèn)題地運(yùn)行。但是，在有些情況下可能需要做一些改動(dòng)，軟件開發(fā)人員必須了解這些改動(dòng)以減少把應(yīng)用程序從Cortex-M4遷移到Cortex-M7所需的時(shí)間。

為了獲得Cortex-M7處理器的最佳性能，一些C編譯器和運(yùn)行時(shí)庫(kù)已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化和更新(圖2)。此外，由于相當(dāng)多的Cortex-M7相對(duì)于Cortex-M4在調(diào)試系統(tǒng)上的變化，軟件開發(fā)者必須更新他們的工具鏈，以在基于Cortex-M7的微控制器產(chǎn)品上調(diào)試應(yīng)用程序。在某些情況下，調(diào)試適配器上的固件可能還需要更新。因此，強(qiáng)烈建議更新到最新的開發(fā)工具鏈。

圖2

相對(duì)于Cortex-M4的2倍性能改進(jìn)

通常情況下，把軟件從Cortex-M4遷移到Cortex-M7處理器時(shí)，需要完成以下改動(dòng)：

l 更新CMSIS- CORE頭文件為Cortex-M7對(duì)應(yīng)的頭文件。對(duì)應(yīng)Cortex-M7處理器的CMSIS-CORE頭文件包含在CMSIS 4.2之后的版本中。最新的CMSIS可以從www.arm.com/cmsis獲得。

l 更新CMSIS-DSP庫(kù)為Cortex-M7定制版本。Cortex-M7定制版本為Cortex-M7處理器的流水線行為進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以提供更高的性能。

l 進(jìn)行緩存配置的新API包含在CMSIS-CORE頭文件中。如果正在使用的Cortex-M7裝置經(jīng)由AXI接口從慢速存儲(chǔ)器(例如Flash)執(zhí)行程序，應(yīng)該啟用高速緩存以獲得更好的性能。

此外，所有的代碼應(yīng)該被重編譯以允許編譯器針對(duì)Cortex-M7處理器流水線更好地優(yōu)化指令序列。在某些情況下，可能在運(yùn)行時(shí)需要額外的緩存維護(hù)操作。例如，在處理器和外設(shè)DMA控制器共享一塊帶緩存的內(nèi)存時(shí)，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)木彺婢S護(hù)操作以保證內(nèi)存一致性。

a) 如果被Cortex-M7處理器更新過(guò)的內(nèi)存需要被另一個(gè)外設(shè)通過(guò)總線訪問(wèn)，需要先清緩存(clean cache)以保證外設(shè)看到最新的數(shù)據(jù)。

b) 如果內(nèi)存被外設(shè)通過(guò)總線更新，在Cortex-M7處理器訪問(wèn)該內(nèi)存前，需要先做一個(gè)緩存無(wú)效(cache invalidate)，這樣在讀取該位置的內(nèi)容時(shí)，處理器將直接從主存儲(chǔ)器中獲取最新的數(shù)據(jù)。

Cortex-M7處理器支持多種浮點(diǎn)支持選項(xiàng)，允許沒(méi)有FPU，只包含單精度FPU或者同時(shí)包含單精度和雙精度FPU。如果應(yīng)用程序可以從雙精度浮點(diǎn)單元支持中獲益，該應(yīng)用程序應(yīng)該重新編譯以利用雙精度FPU。即使應(yīng)用程序只使用單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，重新編譯為Cortex-M7處理器的代碼也是有益的，因?yàn)樵贑ortex-M7的FPU基于FPv5，而Cortex-M4處理器的FPU的是FPv4。FPv5增加了額外的浮點(diǎn)處理指令，有助于目標(biāo)應(yīng)用程序加速浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。

程序代碼更改

有許多可能需要更改程序代碼的潛在領(lǐng)域。由于處理器具有更高的性能，一些程序代碼可能需要由于執(zhí)行速度變快進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。最常見的例子是使用硬編碼(hard code)的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲的應(yīng)用程序，必須調(diào)整原本的循環(huán)次數(shù)以確保延時(shí)。

從一個(gè)微控制器設(shè)備遷移到另一個(gè)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)存映射經(jīng)常發(fā)生變化。另外，Cortex-M7處理器初始矢量表并不是必須從地址0x00000000開始。如果應(yīng)用程序代碼假設(shè)初始向量表地址為0，用戶可能需要更新代碼，以便能夠通過(guò)讀取Vector Table Offset寄存器來(lái)確定初始矢量表的位置。

由于在Cortex-M7處理器的多總線接口和更強(qiáng)大的寫緩存，用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有必要在程序代碼中插入額外的內(nèi)存barrier指令。內(nèi)存barrier的使用指南請(qǐng)參閱“ARM application note AN321 – ARM Cortex-M Programming Guide to Memory Barrier Instructions”。在Cortex-M4處理器上，由于處理器流水線本身的特性，忽略內(nèi)存barrier指令并不會(huì)造成任何問(wèn)題。但在Cortex-M7處理器上，對(duì)內(nèi)存barrier的需求是很嚴(yán)格的。

行動(dòng)起來(lái)

Cortex-M7不僅繼承了Cortex-M系列處理器的特性，如能源效率、高性能、易用性和更小的代碼，它專門設(shè)計(jì)的靈活出色的內(nèi)存和連接選項(xiàng)使得它特別適合于汽車、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)連接市場(chǎng)。在Cortex-M7處理器發(fā)布之后，基于它的MCU已經(jīng)相繼推出：

l 意法半導(dǎo)體于2014年10月在ARM TechCon上發(fā)布的STM32 F7系列。

l Atmel公司在2015 CES上發(fā)布的針對(duì)連接性和通用工業(yè)應(yīng)用AM E70和SAM S70系列

l Atmel公司在2015 CES上發(fā)布的SAM V70和V71系列已取得汽車工業(yè)合格證，其采用Cortex-M7 DSP擴(kuò)展，針對(duì)信息娛樂(lè)連接和音頻應(yīng)用。

l NXP也公開宣布了采用Cortex-M7的Kinetis KV5x，針對(duì)高性能電源轉(zhuǎn)換、馬達(dá)控制和工業(yè)自動(dòng)化。

由于ARM Cortex-M4和Cortex-M7處理器在架構(gòu)上有很多相似之處，確保了大部分應(yīng)用程序代碼可以直接遷移。軟件開發(fā)人員可以開始動(dòng)手，以確保他們的應(yīng)用程序都適合于下一代智能連接嵌入式設(shè)備。遷移需要用戶進(jìn)行一些適應(yīng)性修改。開發(fā)者可以根據(jù)從ARM Cortex-M4處理器到Cortex-M7處理器的應(yīng)用程序遷移 - 軟件開發(fā)人員指南( “Migrating Applications from an ARM Cortex-M4 Processor to a Cortex-M7 Processor - A Software Developer’s Guide”)”白皮書進(jìn)一步了解遷移過(guò)程的細(xì)節(jié)。該白皮書可以在ARM Connected Community中找到，并提供了深入的技術(shù)討論。