ST的H7 MCU設計考量：用雙核實現高性能與實時組合

      不久前，意法半導體（ST）發布了高性能的微控制器（MCU）STM32H7。其突出特點之一是采用Arm Cortex-M系列中性能最高的480MHz Cortex-M7內核，并增加一顆240MHz Cortex-M4內核，實現了3224 CoreMark，可謂業界性能最高的Arm Cortex-M通用MCU。 

     ST微控制器事業部STM32高性能產品線高級市場經理Renaud BOUZEREAU專程來京，與ST中國區微控制器事業部市場及應用總監曹錦東先生，向媒體介紹了這款MCU的產品定義和設計考量。例如為何采用雙核架構，為何沒有采用友商的無閃存模式，新增的安全功能，如何保證高性能產品的投入產出平衡等。

圖  ST的H7系列2019年產品規劃（注：雙核產品如期發布）

      1  為何通過雙核實現超高性能

      無獨有偶，MCU的另一大玩家N公司早在兩年前也推出了基于M7單核的MCU，名為“跨界處理器”，特點是無內置閃存，主頻可達1 GHz、600MHz等，CoreMark 3000左右，實現了MCU的架構、MPU的應用。那么，ST為何不把H7的單核主頻提高，而是采用了較為復雜的雙核策略？另外，雙核是否意味著客戶的軟件編程難度提高了？

圖 H7的雙核CoreMark超過3200分

      Renaud BOUZEREAU解釋道，在內核跑分上，需要從兩方面看。第一，主頻的提高會是影響Coremark跑分的一個非常重要的因素。但是，整個工程的執行效率并不能僅僅看主頻，還要看芯片內部的總線架構、訪問Flash的位數，以及其余外設資源和硬件加速器等。而內置Flash執行代碼的效率對比與外置QSPI Flash這種模式會高很多，也避免了很多總線沖突和內存配置的問題。從嵌入式設計角度而言，外面增加元器件也會影響系統的穩定性。

      第二，在設計產品的時候，ST一直在考慮性能和穩定性的平衡。越高的主頻，意味著產品會相對脆弱。ST研究過很多競爭對手的芯片，發現在高溫測試的時候，往往要降低主頻才能保證系統的穩定性。所以ST在討論和研究后，認為480MHz的主頻會是一個很好的平衡點。

      為了解決雙核編程的挑戰，ST從兩方面入手。第一，從硬件角度而言，在STM32H7雙核產品里，內置了硬件信號量的機制，硬件信號量可以將兩個核的運行狀態進行同步，例如有些外設通過M4處理的時候，通過硬件信號量通知M7內核該外設暫時不能被訪問的。

      其次，從軟件角度，ST現在的CubeMX及IDE（集成設計環境）都已經支持雙核的開發。在雙核開發時，兩個工程都會擺在同一個界面上做調試，這樣對于開發者會比較簡單，包括第三方操作系統，例如FreeRTOS，現在支持雙核的設計，兩個核之間的通訊會通過內部有一個Mailbox的機制在進行通訊，將兩個核的信息進行同步。

     除此之外，雙核還有獨特的“1+1＞2”的優勢。首先，通過靈活使用兩個內核，開發人員可以輕松升級現有應用，增加更先進復雜的圖形用戶界面。以電機控制為例，將以前在單核Cortex-M4 MCU上的舊代碼遷移到STM32H7 Cortex-M4上，同時在Cortex-M7上運行新GUI（圖形用戶界面）。另一個例子是通過降低主處理器的密集型工作負荷，例如，神經網絡、校驗和、DSP過濾或音頻編解碼，提高應用性能。

      其次，雙核架構還有助于簡化代碼開發，并縮短項目開發周期，將用戶界面代碼與實時控制或通信功能的開發分開進行（如下圖）。

圖  H7雙核應用案例之一，神經網絡、圖形顯示等在M7上運行，實時控制、通信功能在M4上運行    

      2  內置閃存、SRAM的考慮

      友商N公司的高性能MCU/跨界處理器的主要特色之一是無閃存。但ST依然提供了豐富的閃存。ST稱，與無閃存處理器相比，H7 MCU在片上額外提供高達2MB閃存和1MB SRAM，更好地解決了存儲空間限制問題，并簡化了具有實時性能或AI處理要求的工業、消費和醫療智能產品設計。

      那么，ST為何不做這種無閃存的產品呢？Renaud BOUZEREAU稱，據ST調查，現在市場上超過80%~90%的客戶希望的架構是MCU內置flash、內置RAM的，并擁有更多先進的外設，首先，這樣的架構可以縮小他們的PCB（印制板）面積和設計成本。其次，內置閃存非常安全，可防止外部盜取或篡改數據。

      3  生產流程的安全保障

      H7的另一新特色是保證生產流程的安全。據悉，H7 MCU配備預安裝密鑰和原生安全服務，包括安全固件安裝（SFI）。SFI允許客戶在世界任何地方訂購標準產品，并將加密固件交付給外部編程公司，避免未加密的代碼泄密。此外，內置安全啟動和安全固件更新（SB-SFU）支持功能，保護空中下載（OTA）升級和補丁的安全。

      那么，為何要增加安全固件安裝（SFI）？這與其他的MCU安全芯片有什么區別嗎？    

      實際上，安全需要跟具體的應用環境相關，換句話，安全是一種服務。在生產流程安全方面，服務表現在假如我是一家設計公司，我把我的芯片通過其他加工廠去做燒錄。是我怎么確保我的代工廠按照我的要求把我的程序進行燒入芯片，這里是有不同的加密的軟件，通過智能卡/硬件安全模組(HSM)給了用戶，給了加工廠，這是個公鑰，這個程序是加過密的，這個程序是需要用公鑰去解密的，如果沒有這個智能卡解密的加密程序，即使外人拿到也不能進行燒錄和破解。第二個特點是每使用的時候會確認這個代碼是不是一開始開發的代碼，如果代碼有木馬程序，就不會啟動。

     4  H7如何保證投資產出的平衡

     STM32的產品線越來越豐富細化，例如H7兩年前是單核，現在又出了雙核產品。出爐這么多細分高端產品，會不會帶來制造成本的壓力？

    Renaud BOUZEREAU解釋道，從芯片的制造而言，因為是基于同樣的平臺，例如現在的H7是屬于40nm平臺，在40nm平臺上，這是一次性投資的技術，投入之后，ST在這個平臺上面去開發更多的產品來滿足用戶的需求，這相對于一次性技術投入，成本較小。

    從另外角度來看，之所以會生產很多細分的產品，主要是為了應對現在越來越細分化的市場需要。ST現在有上千個型號，每個型號的資源配置都是根據很多細分應用來決定的。從性價比上來講，如果你只需要實現一個簡單的功能，而我們提供一個非常強大的MCU，價格肯定會比你預期的貴不少。所以ST會創造出不同的產品，來滿足各個細分市場的需求。

     曹錦東先生補充道，高性能并不代表批量的減少，ST追求的是技術的迭代，因為當12年前（2007年）ST發布STM32F1時，工藝是180nm，那個時候投資回報率（ROI）這個問題同樣是有——因為那時主要市場還是8位、16位MCU，但五年、十年后，32位MCU變成了巨大的市場。因此，技術會推動或者可以激發更多創新的應用，幫助客戶把過去不敢想象的應用，基于新的技術、新的產品去實現。

圖 STM32家族一覽表