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探索ARM Cortex-M7核心:为明日物联网预做准备

作者:Joseph Yiu Donnie Garcia时间:2015-08-06来源:电子产品世界收藏
编者按: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。

  如果嵌入式内存访问速度与所需的处理器速度相近,则嵌入式闪存可以和具有一些闪存访问加速的ITCM接口连接。而在其他情形中,使用带有缓存的AXI将更加合适。如果应用需要从外部内存控制器执行程序,那么内存控制器通常会与AXI接口连接,也就需要指令缓存和数据缓存的支持。在一些情形中,应用可能只需要将外部内存用于数据存储。这样的情形中不需要指令缓存。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/277715.htm

  选择缓存大小很大程度上取决于应用程序代码的属性。在嵌入式闪存运行程序代码时,会同时利用指令缓存和数据缓存,因为程序映像通常会随指令一起包含文字数据、查找表或只读常量。与程序映像内部中的数据/常量相比,应用程序通常有更多指令字。随着程序大小变大,缓存要求也在提高,指令缓存大于数据缓存也不罕见。相反,一些应用程序可能有很小的控制或DSP循环,同时可能有大量的数据用作计算的系数。在此类情形中,较大的D缓存可能比较大的I缓存更对系统性能有益。

  当然,进行性能优化时,也需要最大化缓存以确保较大代码和数据大小的最低延迟性。不过,通过以等同于处理器的速度运行大缓存内存,可能会根据其他因素而造成缓存查找消耗大量的功率。此外,大多数应用程序的缓存未命中率曲线随着尺寸增大而向零靠近,这意味着进一步增大缓存大小并不会提高性能。所幸的是, 核心的可配置性使得 SoC 架构师能够整合各种各样的缓存尺寸,从无缓存到最高64KB的指令缓存和64KB数据缓存。借助这样的灵活性,设计人员可以调节SoC来满足目标应用的需求。

  除了架构选项外,处理器上的许多其他功能也可加以配置。例如,SoC的浮点单元(FPU)功能可以配置为完全不含FPU、具有IEEE-754单精度浮点运算的FPU,或者同时支持IEEE-754单精度运算和双精度运算的FPU。

  其他配置功能包括:

  ● 中断数、以及 NVIC 中的优先级别数;

  ● 内存保护单元(MPU)配置;

  ● 调试与跟踪功能;

  ● 功能安全性相关的功能(ECC、双核锁步)。

  浮点运算硬件加速有诸多优点。显而易见,具有硬件浮点单元时浮点运算的性能可以得到加速。此外,由于硬件支持减少了执行浮点运算所需的软件库数量和相关大小,因此内存空间也得以优化。缩短处理时间并且减少内存足迹最终提高应用的能效,为执行传统上需要更多复杂嵌入式系统的功能扫清了障碍。这种优势对能效而言非常重要,因为 DSP过滤器的浮点运算最高可提速 20 倍。同时具备单精度和双精度浮点功能选项可进一步提高新款处理器的可扩充性。

  随着IoT的演进逐步带来技术的扩充,应对嵌入式应用的安全性和完整性挑战的需求也在增长。除了与其他 Cortex-M 处理器相同的错误异常处理功能和内存保护单元外, 处理器也包含可选的TCM内存和缓存错误校正代码(ECC)支持。这可以实现自动即时更正内存中的单比特错误、以及检测双比特错误。

  此外,Cortex-M7处理器也支持双核锁步配置选项。在这种配置中,核心逻辑进行两次实例化,缓存和TCM内存阵列则是共享的。这是因为它们可以通过ECC加以保护,其硅面积成本能大幅降低(见图4),实现非常强健的容错系统设计。

飞思卡尔Kinetis KV5x 系列的实现

  Cortex-M7处理器的一个实现选择示例是飞思卡尔最新发布的Kinetis KV5x 系列,这一可扩充的产品系列定位是面向电机控制和数字功率转换应用。在这一SoC中,Cortex-M7处理器选择的部分配置选项包括整合16KB指令缓存和8KB数据缓存。此SoC将64位AXI总线用作嵌入式闪存存储器的访问端口。指令缓存和数据缓存确保驻留于嵌入式内存中的控制软件得以加速,支持所连的工业级控制用例所需的性能级别。除了缓存之外,Kinetis KV5x MCU系列还集成了64KB与ITCM接口连接的 SRAM、以及128KB与DTCM接口连接的SRAM。这可提供必要的处理器本地存储,以延迟性最低的内存支持实时控制运算。

  Kinetis KV5x MCU配置仅仅是一个示例,说明了如何构建SoC以应对关注于联网控制的特定应用。随着时间推移、以及互连应用数量和多样性的增加,未来必定会出现对SoC 设计的调节,从而在Cortex-M7处理器上进行更广泛范围的配置。性能水平与可比较的 Cortex-M4解决方案相比将可达到两倍以上的提高,这将为嵌入式领域实现更多的创新。凭借其可扩充性、性能和可扩展功能,可调节型Cortex-M7核心将在支持“明日”的舞台中扮演重要的角色。(本文全文刊登在电子产品世界网站)

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