基于ARM®Cortex®-M7内核的高性能微控制器STM32F7系列特色分析

对于微处理界第一颗基于ARM®Cortex®-M7内核的高性能微控制器STM32F7系列，相信很多人对它都不陌生了。比如STM32F7系列微控制器采用90nm工艺，工作频率高达216MHz，采用6级超标量流水线和浮点单元，测试分数高达1000 CoreMarks，性能提升的同时保持高能效，与STM32F4系列管脚高度兼容等等。

        一般来讲，基于ARM®Cortex®-M7内核的微控制器大多具有相似的处理器配置选项。通常包括：
-一个64位AXI系统总线接口
-一个指令和数据高速缓存
-64位指令紧耦合存储器（ITCM）
-双32位数据紧耦合存储器（DTCM）

      不过，本文只是从应用开发的层面介绍STM32F7系列有别于其它使用Cortex-M7内核的MCU的几个特色。
      首先，第一个重要特色在于STM32F7器件同时具有ITCM接口和AXI接口连接到片内闪存，如图1所示。

图1：基于ARMCortex-M7内核的系统级芯片的框图

ITCM和AXI双接口的存在使得执行代码时具备更大的灵活性。此外，STM32F7还有一个称为自适应实时加速器（ARTAccelerator™）的内置闪存加速器，从而实现闪存零等待执行。使用TCM接口和ART加速器能能实现与带缓存AXI接口相似的性能。同时用户代码也不会有高速缓存失效或高速缓存维护操作的麻烦。

      利用ART Accelerator加速引擎和高达16kB的L1缓存，STM32F7MCU可实现ARM Cortex-M7的最佳性能。不管是从片内闪存还是外部存储器执行代码，在216MHz下均可达到1082 CoreMark/462 DMIPS。

      第二个重大特色在于内部SRAM分布在不同的模块中，以降低动态功耗，并允许从各个总线主机同时访问不同的SRAM模块，以优化带宽和延迟。
   此架构的一个典型应用实例就是人机界面，在人机界面中，音频和图形数据与系统RAM之间的传输必须同时进行。

      第三个就是它的高级浮点单元。STM32F7系列器件具有一个高性能的单或双精度浮点单元（FPU），支持所有ARM单或双数据处理指令和数据类型。FPU在需要浮点数学精度的许多应用中提供了优势，包括环路控制、音频处理、音频解码和数字滤波等。
      它还有个额外优势，那就是将某些功能的执行或处理可以从CPU分流到FPU，使CPU用于其他任务。它支持双精度，因此更易于使用双精度浮点指令的基于PC的数学软件。

      第四，STM32F7 MCU最具特色的设计之一是它们的智能系统架构，它使用两个子系统，如图2所示：

   图2：STM32F7微控制器的总线矩阵

AXI-to-multi-AHB桥将AXI4协议转换成AHB-Lite协议
      multi-AHB总线矩阵管理主机之间的访问仲裁
      该仲裁使用循环调度算法保障主机对从机的访问，即使多个高速外设同时工作，也能实现同时访问并高效运行。

      最后，不得不提它的L1高速缓存。STM32F7嵌入了指令和数据高速缓存，当从片上或片外存储器读取代码和数据时可弥补插入等待状态，从而提高性能。当然，如果出现高速缓存失效和高速缓存行填充，此时查看高速缓存将无法保证数据的确定性。

      这就是为什么要强烈推荐使用TCM存储器来执行关键代码、存储关键数据的原因。这在必须保证安全操作的应用中（如家电和电机）通常都很有用。

      由于高速缓存不仅可以由CPU访问，也可以通过其他主机进行访问（包括直接存储器访问（DMA）控制器），因此需要软件维护操作。访问物理存储器时，这些主机可能会读出过期的数据，而更新的数据在CPU高速缓存中已可用。

为了避免这个问题，开发者编写用户代码时应该采取以下措施：
A.当除CPU以外的主机将执行对高速缓存的访问之前，推荐进行高速缓存清零。这是为了确保CPU的最新的更新数据被写回到物理存储器。
B.当除CPU以外的主机对高速缓存数据进行了更新后，在对高速缓存进行读操作之前，CPU应该使高速缓存失效。这是为了确保从物理存储器的直接读取。
C.有时也需考虑无高速缓存操作。当高速缓冲存频繁被其他主机访问时，可以通过CPU配置不可缓存属性防止数据的不一致性。