“星辰”處理器是什么樣的內核？

近期，靈動微電子發(fā)布了靈動“星”平臺，其全新高性能 MM32F5 微控制器系列。該系列在內核、總線和外設配置等多個方面進行了創(chuàng)新，內核上更是首次搭載了 Armv8-M 架構的“星辰” STAR-MC1 處理器，因此一經發(fā)布就獲得了大量用戶和媒體的關注。

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

“星辰”處理器是什么？

如果用一句話介紹“星辰”處理器，那就是：安謀科技設計的一款基于 Armv8-M 架構的嵌入式處理器。這里，安謀科技是中國最大的芯片設計 IP 開發(fā)與服務供應商，而靈動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，并于 MM32F5 系列中首次搭載了該處理器。

“星辰”處理器的幾大特點如下：

采用最先進的Armv8-M架構

處理器是基于指令集架構設計實現(xiàn)的運算和控制單元，而 Arm 處理器的指令集架構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 架構包括 Armv6-M、Armv7-M和 Armv8-M 架構，其中，Armv6-M 架構的典型處理器有 Cortex-M0 和 Cortex-M0+，Armv7-M 架構的典型處理器有 Cortex-M3、Cortex-M4 和 Cortex-M7，而 Armv8-M 架構的典型處理器則有 Cortex-M23、Cortex-M33、Cortex-M55 和 “星辰”STAR-MC1。

經常關注 MCU 前沿動態(tài)的話一定會有所了解，近幾年來國際上最主要的幾家 MCU 大廠的新產品已經逐漸從 Armv7-M 架構過度到了 Armv8-M 架構，如ST、NXP、Renesas等。那么 Armv8-M 架構相較于 Armv7-M 架構，究竟有哪些優(yōu)勢？

性能提升

Armv8-M 架構優(yōu)化了指令集和流水線設計，其同級別產品的性能相較于 Armv7-M架構普遍提高20% 以上。

更安全

Armv8-M 架構引入了 TrustZone 技術，并強化了內存保護單元（MPU），讓代碼運行在更安全的環(huán)境中。

可擴展

Armv8-M 架構引入了協(xié)處理器接口，允許 MCU 產商自己開發(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，還預留了用戶自定義指令的接口。

集成 DSP 和 FPU

彌補了 Cortex-M3 的短板，DSP 性能相較于 Cortex-M3 提升10倍。

集成內存子系統(tǒng)

在計算機體系結構中，除了處理器內核的設計外（指令集、流水線、ALU等等），存儲架構的設計也是重要的一環(huán)。在特定應用場景下，高效率的存儲訪問對系統(tǒng)整體性能所帶來的提升效果可能比提高內核性能本身還要來得明顯。而提升存儲訪問效率的方法往往有兩個：

層次化設計（Memory Hierarchy)

層次化設計的核心是緩存（Cache）。在嵌入式系統(tǒng)中，處理器運行速度遠快于 Flash 的運行速度（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緩存（Level 1或簡寫為 L1），而靠近 Flash 一端的緩存叫做二級緩存（Level 2 或簡寫為 L2），一般情況下，因 L2 緩存和 CPU 之間還間隔了一個總線矩陣，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

一般而言，越高性能的內核，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。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)進行了區(qū)分，可以在取指的同時獲取數(shù)據(jù)；Cortex-M7 則進一步引入了指令緊耦合 RAM （以下簡稱 ITCM）總線和數(shù)據(jù)緊耦合 RAM（以下簡稱 DTCM）總線，以及引入了獨立外設總線（AHBP）。

而“星辰“ 處理器所集成的內存子系統(tǒng)同時采用了上述的兩種技術。

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，“星辰”處理器也引入了獨立的 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 CPU 不訪問 TCM 時，TCM 也可以被 DMA 等外設通過獨立的 TCM總線（AHBT）訪問。

在 Armv7-M 架構處理器中，內存子系統(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却孀酉到y(tǒng)可以大幅提高系統(tǒng)吞吐率。

本土團隊打造

在目前的國際形勢下，國外對出口到我國的關鍵技術的管制風險一直沒有緩解，而不斷出現(xiàn)的國際紛爭更是加劇了這種風險的可能性。如何應對隨時可能加碼的出口管制風險，做到在核心技術上不被“卡脖子”，關乎國產半導體的命脈，是所有國內半導體人需要共同面對和思考的問題。

“打鐵還需自身硬”，應對出口管制和貿易戰(zhàn)的風險，打造完全自主可控的本土半導體供應鏈是必要的。而據(jù)安謀科技介紹，“星辰”STAR-MC1 處理器由安謀科技本土團隊設計打造，本土技術的占比高于90％，因此，真正意義上做到了自主可控。

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

看似很厲害，跑個分？

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

下圖列舉了 “星辰”STAR-MC1 處理器的標稱 CoreMark 跑分和同級別 Cortex-M 內核的比較?？梢钥吹剑琒TAR-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，這里的跑分數(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。而在實際應用中，用戶的程序往往是從 Flash 中執(zhí)行，如果存儲層次設計不好，其所獲得的 CoreMark 跑分結果將大打折扣。

而得益于 STAR-MC1 出色的內存子系統(tǒng)設計，保證了其 Flash 跑分結果和理論極限值幾乎沒有差別。

根據(jù) MM32F5270 芯片上的實際測試結果，當 L1 緩存打開時，從Flash 中執(zhí)行 CoreMark 的跑分結果是 3.97 CoreMark/MHz，該數(shù)值達到了理論極限值的 99%。因此，當用戶在 Flash 中執(zhí)行程序的時候，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。

同樣因為 STAR-MC1 出色的內存子系統(tǒng)設計，在 Flash 執(zhí)行代碼的前提下，搭載 STAR-MC1 并開啟了內存子系統(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 中實際運行的結果來對比 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 的理想升級選擇。

那么，假如用戶從上述 Armv7-M 處理器切換到 Armv8-M 架構的 STAR-MC1 處理器時，是否很難移植呢？當然不是！

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

完善的生態(tài)支持

很多用戶會咨詢 STAR-MC1 的工具支持狀況、是否支持 KEIL等問題。這個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 更是已經獲得了 MbedOS、freeRTOS、Zephyr、OpenHarmony 的支持。

小結 & Next

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

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，敬請期待！

關于靈動

靈動成立于 2011 年，是中國本土領先的通用 32 位 MCU 產品及解決方案供應商。公司基于 Arm Cortex-M 系列內核開發(fā)的 MM32 MCU 產品擁有 F/L/SPIN/W 四大系列，目前已量產 200多款型號，累計出貨數(shù)億顆，每年都有近億臺配備了靈動 MM32MCU 的優(yōu)秀產品交付到客戶手中，在本土通用 32 位 MCU 公司中位居前列。

靈動客戶涵蓋智能工業(yè)、汽車電子、通信基建、醫(yī)療健康、智慧家電、物聯(lián)網(wǎng)、個人設備、手機和電腦等應用領域。靈動微電子是中國為數(shù)不多的同時獲得了 Arm-KEIL、IAR、SEGGER 官方支持的本土 MCU 公司，并建立了獨立、完整的通用 MCU 生態(tài)體系，可以為客戶提供從硬件芯片到軟件算法、從參考方案到系統(tǒng)設計的全方位支持。

審核編輯 ：李倩