靈動(dòng)微電子發(fā)布靈動(dòng)集成內(nèi)存子系統(tǒng)“星”平臺(tái)

近期，靈動(dòng)微電子發(fā)布了靈動(dòng)“星”平臺(tái)，其全新高性能 MM32F5 微控制器系列。該系列在內(nèi)核、總線和外設(shè)配置等多個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新，內(nèi)核上更是首次搭載了 Armv8-M 架構(gòu)的 “星辰” STAR-MC1 處理器，因此一經(jīng)發(fā)布就獲得了大量用戶和媒體的關(guān)注。

很多用戶會(huì)咨詢“星辰”處理器相關(guān)的問題，特別是“星辰”處理器是什么樣的內(nèi)核？相較于 Arm Cortex-M 系列內(nèi)核又有什么差別？這里，為了讓大家對(duì)“星辰”處理器有一個(gè)快速的了解，并解答上述的這些問題，本文對(duì)“星辰”處理器的主要特色做一個(gè)梳理。

“星辰”處理器是什么？

如果用一句話介紹“星辰”處理器，那就是：安謀科技設(shè)計(jì)的一款基于 Armv8-M 架構(gòu)的嵌入式處理器。這里，安謀科技是中國(guó)最大的芯片設(shè)計(jì) IP 開發(fā)與服務(wù)供應(yīng)商，而靈動(dòng)微電子則是從安謀科技獲得了該處理器的正規(guī)使用授權(quán)，并于 MM32F5 系列中首次搭載了該處理器。

“星辰”處理器的幾大特點(diǎn)如下：

采用最先進(jìn)的Armv8-M架構(gòu)

處理器是基于指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算和控制單元，而 Arm 處理器的指令集架構(gòu)自誕生以來也在不斷的更新?lián)Q代，目前市面上較為常見的 Arm MCU 架構(gòu)包括 Armv6-M、Armv7-M和 Armv8-M 架構(gòu)，其中，Armv6-M 架構(gòu)的典型處理器有 Cortex-M0 和 Cortex-M0+，Armv7-M 架構(gòu)的典型處理器有 Cortex-M3、Cortex-M4 和 Cortex-M7，而 Armv8-M 架構(gòu)的典型處理器則有 Cortex-M23、Cortex-M33、Cortex-M55 和 “星辰”STAR-MC1。

經(jīng)常關(guān)注 MCU 前沿動(dòng)態(tài)的話一定會(huì)有所了解，近幾年來國(guó)際上最主要的幾家 MCU 大廠的新產(chǎn)品已經(jīng)逐漸從 Armv7-M 架構(gòu)過度到了 Armv8-M 架構(gòu)，如ST、NXP、Renesas等。那么 Armv8-M 架構(gòu)相較于 Armv7-M 架構(gòu)，究竟有哪些優(yōu)勢(shì)？

性能提升

Armv8-M 架構(gòu)優(yōu)化了指令集和流水線設(shè)計(jì)，其同級(jí)別產(chǎn)品的性能相較于 Armv7-M架構(gòu)普遍提高20% 以上。

更安全

Armv8-M 架構(gòu)引入了 TrustZone 技術(shù)，并強(qiáng)化了內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），讓代碼運(yùn)行在更安全的環(huán)境中。

可擴(kuò)展

Armv8-M 架構(gòu)引入了協(xié)處理器接口，允許 MCU 產(chǎn)商自己開發(fā)協(xié)處理器和自定義指令，相較于傳統(tǒng)的基于地址映射和中斷的協(xié)處理器可大幅提升執(zhí)行效率。特別是Armv8.1-M架構(gòu)，還預(yù)留了用戶自定義指令的接口。

集成 DSP 和 FPU

彌補(bǔ)了 Cortex-M3 的短板，DSP 性能相較于 Cortex-M3 提升10倍。

集成內(nèi)存子系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，除了處理器內(nèi)核的設(shè)計(jì)外（指令集、流水線、ALU等等），存儲(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計(jì)也是重要的一環(huán)。在特定應(yīng)用場(chǎng)景下，高效率的存儲(chǔ)訪問對(duì)系統(tǒng)整體性能所帶來的提升效果可能比提高內(nèi)核性能本身還要來得明顯。而提升存儲(chǔ)訪問效率的方法往往有兩個(gè)：

層次化設(shè)計(jì)（Memory Hierarchy）

小知識(shí)

層次化設(shè)計(jì)的核心是緩存（Cache）。在嵌入式系統(tǒng)中，處理器運(yùn)行速度遠(yuǎn)快于 Flash 的運(yùn)行速度（典型值是 2：1 到16：1）， 而處理器要從 Flash 中獲取執(zhí)行代碼，如果 Flash 速度不做優(yōu)化的話，可以說處理器跑的再快也會(huì)受到 Flash 讀取速度瓶頸的制約。而最有效的解決方法就是在處理器和 Flash 之間加入緩存，這里的緩存可能是多層的，一般把靠近處理器一端的緩存叫做一級(jí)緩存（Level 1或簡(jiǎn)寫為 L1），而靠近 Flash 一端的緩存叫做二級(jí)緩存（Level 2 或簡(jiǎn)寫為 L2），一般情況下，因 L2 緩存和 CPU 之間還間隔了一個(gè)總線矩陣，因此 L1 緩存的效率往往高于 L2 緩存。

增加并行訪問路徑提高吞吐率

小知識(shí)

一般而言，越高性能的內(nèi)核，其并行訪問通路越多，多條通路可并發(fā)訪問，因此系統(tǒng)吞吐率可以成倍增長(zhǎng)。如Cortex-M0 和 Cortex-M0+ 僅有一條系統(tǒng)總線，指令和數(shù)據(jù)均通過一條總線訪問；Cortex-M3 和 M4 中將指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)分，可以在取指的同時(shí)獲取數(shù)據(jù)；Cortex-M7 則進(jìn)一步引入了指令緊耦合 RAM （以下簡(jiǎn)稱 ITCM）總線和數(shù)據(jù)緊耦合 RAM（以下簡(jiǎn)稱 DTCM）總線，以及引入了獨(dú)立外設(shè)總線（AHBP）。

而“星辰“ 處理器所集成的內(nèi)存子系統(tǒng)同時(shí)采用了上述的兩種技術(shù)。

首先，“星辰”處理器配置了 L1 指令和數(shù)據(jù)緩存，該緩存和內(nèi)存緊耦合，可以用來加速任何指令和數(shù)據(jù)總線上的訪問，這里包括內(nèi)置 Flash 和 SRAM中的指令和數(shù)據(jù)，以及外置 Flash 、TF 卡、外置 RAM的指令和數(shù)據(jù)等。

同時(shí)，“星辰”處理器也引入了獨(dú)立的 ITCM 接口和 DTCM 接口，用于訪問與處理器緊耦合的指令和數(shù)據(jù) RAM，處理器對(duì)于 TCM 的訪問完全可以和指令和數(shù)據(jù)總線的訪問并行執(zhí)行。而且，當(dāng) CPU 不訪問 TCM 時(shí)，TCM 也可以被 DMA 等外設(shè)通過獨(dú)立的 TCM總線（AHBT）訪問。

在 Armv7-M 架構(gòu)處理器中，內(nèi)存子系統(tǒng)僅在最高性能的 Cortex-M7 上才有配置?！靶浅健碧幚砥髋鋫渖蟽?nèi)存子系統(tǒng)可以大幅提高系統(tǒng)吞吐率。

本土團(tuán)隊(duì)打造

在目前的國(guó)際形勢(shì)下，國(guó)外對(duì)出口到我國(guó)的關(guān)鍵技術(shù)的管制風(fēng)險(xiǎn)一直沒有緩解，而不斷出現(xiàn)的國(guó)際紛爭(zhēng)更是加劇了這種風(fēng)險(xiǎn)的可能性。如何應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能加碼的出口管制風(fēng)險(xiǎn)，做到在核心技術(shù)上不被“卡脖子”，關(guān)乎國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體的命脈，是所有國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體人需要共同面對(duì)和思考的問題。

“打鐵還需自身硬”，應(yīng)對(duì)出口管制和貿(mào)易戰(zhàn)的風(fēng)險(xiǎn)，打造完全自主可控的本土半導(dǎo)體供應(yīng)鏈?zhǔn)潜匾摹６鴵?jù)安謀科技介紹，“星辰”STAR-MC1 處理器由安謀科技本土團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)打造，本土技術(shù)的占比高于90％，因此，真正意義上做到了自主可控。

總結(jié)而言，“星辰”STAR-MC1 處理器是一款采用了先進(jìn)架構(gòu)、優(yōu)化了總線和存儲(chǔ)配置、且完全自主可控的高性能處理器。

看似很厲害，跑個(gè)分？

基于上述的介紹， 大家可能還是沒辦法直觀的感受到 “星辰”處理器的強(qiáng)大，那下面就以國(guó)際通用的 CoreMark 跑分結(jié)果來進(jìn)行說明。

下圖列舉了 “星辰”STAR-MC1 處理器的標(biāo)稱 CoreMark 跑分和同級(jí)別 Cortex-M 內(nèi)核的比較?？梢钥吹?，STAR-MC1的跑分為 4.02 CoreMark/MHz，其相較于 Cortex-M3 提升了 20%，相較于 Cortex-M4 提升了 17%。因此，從核心性能而言，STAR-MC1 是一款介于 Cortex-M4 到 Cortex-M7 之間的處理器。

需要說明的是，這里的跑分?jǐn)?shù)值是各處理器的理論極限值，該理論極限值一般可通過把 CoreMark 代碼放在零延遲 RAM 中執(zhí)行而獲得。而在實(shí)際應(yīng)用中，用戶的程序往往是從 Flash 中執(zhí)行，如果存儲(chǔ)層次設(shè)計(jì)不好，其所獲得的 CoreMark 跑分結(jié)果將大打折扣。

而得益于 STAR-MC1 出色的內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證了其 Flash 跑分結(jié)果和理論極限值幾乎沒有差別。

根據(jù) MM32F5270 芯片上的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，當(dāng) L1 緩存打開時(shí)，從Flash 中執(zhí)行 CoreMark 的跑分結(jié)果是 3.97 CoreMark/MHz，該數(shù)值達(dá)到了理論極限值的 99%。因此，當(dāng)用戶在 Flash 中執(zhí)行程序的時(shí)候，依然可以獲得相較于 Cortex-M3 和 Cortex-M4 的理論極限值約 20% 的性能提升。

同樣因?yàn)?STAR-MC1 出色的內(nèi)存子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在 Flash 執(zhí)行代碼的前提下，搭載 STAR-MC1 并開啟了內(nèi)存子系統(tǒng)的 MM32F5 系列相較于搭載了 Cortex-M3 或 Cortex-M4 的芯片而言，能夠更接近其理論極限值。因此，如果以 Flash 中實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果來對(duì)比 STAR-MC1 和市面上的 Cortex-M3 和 Cortex-M4 芯片，STAR-MC1 將帶來 30%~50% 的性能提升。

C代碼兼容M3和M4

綜合以上 “星辰” STAR-MC1 處理器的介紹，可以說 STAR-MC1 是 Cortex-M3 和 Cortex-M4 的理想升級(jí)選擇。

那么，假如用戶從上述 Armv7-M 處理器切換到 Armv8-M 架構(gòu)的 STAR-MC1 處理器時(shí)，是否很難移植呢？當(dāng)然不是！

STAR-MC1 和 Cortex-M3 和 Cortex-M4 都是基于 Arm指令集架構(gòu)的處理器，因此，其兼容性還是很高的，但由于底層指令集架構(gòu)由 Armv7-M 過渡到了 Armv8-M ，因此，其無法做到完全的二進(jìn)制兼容，但STAR-MC1 實(shí)現(xiàn)了從 Cortex-M3 和 Cortex-M4 移植時(shí)的 C 代碼兼容。因此，假如用戶的代碼是基于 C 語言編寫，則完全不用擔(dān)心兼容性。

完善的生態(tài)支持

很多用戶會(huì)咨詢 STAR-MC1 的工具支持狀況、是否支持 KEIL等問題。這個(gè)大家也可以完全放心，STAR-MC1 作為一款通用的嵌入式處理器，其目前已經(jīng)獲得了非常完整的生態(tài)體系支持。

下圖列舉了 STAR-MC1 截止目前的生態(tài)工具支持情況，可以看到，STAR-MC1 在工具鏈、編譯器、操作系統(tǒng)和仿真器方面都獲得了主流工具的支持：

工具鏈

在工具鏈方面，STAR-MC1 已經(jīng)獲得了 Arm DS、Keil、IAR、SEGGER Embedded Studio、Lauterbach TRACE32 等主流 IDE 的支持。

編譯器

在編譯器方面，STAR-MC1 已經(jīng)獲得了 GCC、Arm Compiler、IAR Compiler、SEGGER Compiler 等主流編譯器的支持。

仿真器

在仿真器方面，STAR-MC1 已經(jīng)獲得了 ULINKPRO、ULINK2、DSTEAM、SEGGER J-Link Base/Plus、J-Link Ultra/Pro 的支持。

操作系統(tǒng)

在操作系統(tǒng)方面，STAR-MC1 更是已經(jīng)獲得了 MbedOS、freeRTOS、Zephyr、OpenHarmony 的支持。

小結(jié)

“星辰”STAR-MC1 處理器是一款 Armv8-M 架構(gòu)的高性能嵌入式處理器，由安謀科技本土團(tuán)隊(duì)打造，集成了出色的內(nèi)存子系統(tǒng)，并獲得了完整的生態(tài)支持，是升級(jí) Cortex-M3 和 Cortex-M4 內(nèi)核的理想選擇！

未完待續(xù)！本文是 MM32F5 漫談系列的開篇，后續(xù)將為大家持續(xù)更新，旨在分享 MM32F5 系列中所包含的那些有趣的技術(shù)，敬請(qǐng)期待！