探索ARM Cortex-M7核心：为明日物联网预做准备

摘要：本技术白皮书将详细阐述Cortex-M7处理器，探讨在设计核心时面临的架构考量、以及关于配置选项的信息，同时也说明它在IoT应用中的重要性。此信息适用于希望对处理器本身有更深一步了解的人士、或有兴趣从事嵌入式系统设计和软件开发的专业人士。

ARM Cortex-M7 处理器

　　Cortex-M 处理器系列的最新成员是Cortex-M7。这款新的核心具备可用于支持新型嵌入式技术需求的功能，它设计用于需要较高处理性能、实时响应能力和能效的应用。总体而言，Cortex-M7 处理器包含下列关键特性：

　　● 高性能、双指令签发 6 级流水线，每个时钟周期最多可执行两个指令;

　　● 64 位AXI 系统总线接口;

　　● 可选指令缓存(4 到 64KB)及数据缓存(4 到 64KB)，每种缓存内存均有可选的 ECC(错误校正码)支持;

　　● 可选 64 位指令紧密耦合内存(ITCM)及可选双 32 位数据 TCM(D{0,1}TCM)，每个TCM内存阵列均支持客户ECC实现;

　　● 可选的低延迟 AHB 外设总线接口，允许在实时应用程序中对外设进行确定性的快速访问。

ARM Cortex-M7 处理器配置选项

　　Cortex-M7 处理器的微架构与 Cortex-M 处理器系列中的其他核心不同。Cortex-M7的微架构具有6级超标量流水线实现，通过改善架构性能(减少每个指令周期数)和提升运行频率，大幅改善系统性能。为支持超标量设计更高的指令和数据带宽要求，其关键内存接口设计为64位宽度。AXI 系统总线和单周期 ITCM 接口均为64位，双32位 D-TCM 接口可以在一个周期内处理两个32位传输或一个64位数据传输。表1总结了Cortex-M7处理器微架构中的总线，强调了新接口与前代 ARM Cortex-M 系列设备的对比。

　　在支持许多IoT应用所需的内存扩展性时，AXI主控器接口可发挥重要的功能。由于新的使用模型建立于持续收集和分析的数据基础上，因此能够利用外部内存来增加功能性显得至关重要。除了AXI主机接口外，TCM接口也提供最优的单周期接口，用于执行控制所需的实时运算。若要支持超过5 CoreMarks/MHz的处理器性能级别，高性能内存和总线接口则至关重要。

　　选择要在SoC中使用哪些总线以及如何加以利用时，需要考虑多个要素，其中包括：

　　● 哪些外设需要连接Cortex-M7处理器上的AHB外设总线，来实现低延迟访问能力?

　　● 哪些外设需要由DMA控制器访问?

　　● 需要哪些形式的访问控制和内存保护?

　　举例来说，在非常简单的设计中，内存系统可以连接至TCM接口，外设可以连接至AHB 外设接口，如图2所示。这种配置使得SoC不仅能够利用Cortex-M7核心的可缩放性能，而且仍然能够应对与成本和尺寸相关的挑战。例如，通过SRAM与TCM接口的连接，可以活动支持，实现需要实时性能的控制边缘节点。

　　另一种配置选项是将嵌入式内存和(或)外部内存与AXI接口连接，并通过使用缓存内存来实现更高的性能。大多数微控制器应用包含许多小的控制循环，因此固件执行的缓存未命中数非常低。使用基于缓存的设计时，系统在从AXI总线系统执行程序时的确定性可能较低。不过，可以在与ITCM接口连接的SRAM中，放入异常矢量表和中断处理程序，从而实现在执行中断处理程序时的确定行为。

　　AXI接口和缓存的内存可扩展性、性能以及效率优势是满足应用需求的关键所在。此类配置提供与IoT应用相符的诸多优势，如支持无线固件更新和利用大型外部内存的数据存储需求。然而，并非所有应用案例都需要每个选项，所以必须要考量与成本、尺寸和功耗相关的挑战。

　　内存系统的设计可以提供各种各样的配置选项。需要考虑多个方面和因素，其中包括：

　　● 来自AXI或TCM接口的执行;

　　● 缓存大小(如果使用AXI);

　　● 嵌入式闪存访问加速的方式，以及闪存的带宽;

　　● 可选ECC支持。

　　许多不同因素可以影响到决策，如嵌入式闪存的读取访问速度，时钟速度要求，以及目标应用的典型大小及其程序流行为。