“星辰”处理器是什么?
如果用一句话介绍“星辰”处理器,那就是:安谋科技设计的一款基于 Armv8-M 架构的嵌入式处理器。这里,安谋科技是中国最大的芯片设计 IP 开发与服务供应商,而灵动微电子则是从安谋科技获得了该处理器的正规使用授权,并于 MM32F5 系列中首次搭载了该处理器。
“星辰”处理器的几大特点如下:
采用最先进的Armv8-M架构✦
处理器是基于指令集架构设计实现的运算和控制单元,而 Arm 处理器的指令集架构自诞生以来也在不断的更新换代,目前市面上较为常见的 Arm MCU 架构包括 Armv6-M、Armv7-M和 Armv8-M 架构,其中,Armv6-M 架构的典型处理器有 Cortex-M0 和 Cortex-M0+,Armv7-M 架构的典型处理器有 Cortex-M3、Cortex-M4 和 Cortex-M7,而 Armv8-M 架构的典型处理器则有 Cortex-M23、Cortex-M33、Cortex-M55 和 “星辰”STAR-MC1。
经常关注 MCU 前沿动态的话一定会有所了解,近几年来国际上最主要的几家 MCU 大厂的新产品已经逐渐从 Armv7-M 架构过度到了 Armv8-M 架构,如ST、NXP、Renesas等。那么 Armv8-M 架构相较于 Armv7-M 架构,究竟有哪些优势?
性能提升
Armv8-M 架构优化了指令集和流水线设计,其同级别产品的性能相较于 Armv7-M架构普遍提高20% 以上。
更安全
Armv8-M 架构引入了 TrustZone 技术,并强化了内存保护单元(MPU),让代码运行在更安全的环境中。
可扩展
Armv8-M 架构引入了协处理器接口,允许 MCU 产商自己开发协处理器和自定义指令,相较于传统的基于地址映射和中断的协处理器可大幅提升执行效率。特别是Armv8.1-M架构,还预留了用户自定义指令的接口。
集成 DSP 和 FPU
弥补了 Cortex-M3 的短板,DSP 性能相较于 Cortex-M3 提升10倍。
集成内存子系统
在计算机体系结构中,除了处理器内核的设计外(指令集、流水线、ALU等等),存储架构的设计也是重要的一环。在特定应用场景下,高效率的存储访问对系统整体性能所带来的提升效果可能比提高内核性能本身还要来得明显。而提升存储访问效率的方法往往有两个:
层次化设计(Memory Hierarchy)
小知识:层次化设计的核心是缓存(Cache)。在嵌入式系统中,处理器运行速度远快于 Flash 的运行速度(典型值是 2:1 到16:1), 而处理器要从 Flash 中获取执行代码,如果 Flash 速度不做优化的话,可以说处理器跑的再快也会受到 Flash 读取速度瓶颈的制约。而最有效的解决方法就是在处理器和 Flash 之间加入缓存,这里的缓存可能是多层的,一般把靠近处理器一端的缓存叫做一级缓存(Level 1或简写为 L1),而靠近 Flash 一端的缓存叫做二级缓存(Level 2 或简写为 L2),一般情况下,因 L2 缓存和 CPU 之间还间隔了一个总线矩阵,因此 L1 缓存的效率往往高于 L2 缓存。
增加并行访问路径提高吞吐率
小知识:一般而言,越高性能的内核,其并行访问通路越多,多条通路可并发访问,因此系统吞吐率可以成倍增长。如Cortex-M0 和 Cortex-M0+ 仅有一条系统总线,指令和数据均通过一条总线访问;Cortex-M3 和 M4 中将指令和数据进行了区分,可以在取指的同时获取数据;Cortex-M7 则进一步引入了指令紧耦合 RAM (以下简称 ITCM)总线和数据紧耦合 RAM(以下简称 DTCM)总线,以及引入了独立外设总线(AHBP)。
而“星辰“ 处理器所集成的内存子系统同时采用了上述的两种技术。
首先,“星辰”处理器配置了 L1 指令和数据缓存,该缓存和内存紧耦合,可以用来加速任何指令和数据总线上的访问,这里包括内置 Flash 和 SRAM中的指令和数据,以及外置 Flash 、TF 卡、外置 RAM的指令和数据等。
同时,“星辰”处理器也引入了独立的 ITCM 接口和 DTCM 接口,用于访问与处理器紧耦合的指令和数据 RAM,处理器对于 TCM 的访问完全可以和指令和数据总线的访问并行执行。而且,当 CPU 不访问 TCM 时,TCM 也可以被 DMA 等外设通过独立的 TCM总线(AHBT)访问。
在 Armv7-M 架构处理器中,内存子系统仅在最高性能的 Cortex-M7 上才有配置。“星辰”处理器配备上内存子系统可以大幅提高系统吞吐率。
本土团队打造
在目前的国际形势下,国外对出口到我国的关键技术的管制风险一直没有缓解,而不断出现的国际纷争更是加剧了这种风险的可能性。如何应对随时可能加码的出口管制风险,做到在核心技术上不被“卡脖子”,关乎国产半导体的命脉,是所有国内半导体人需要共同面对和思考的问题。
“打铁还需自身硬”,应对出口管制和贸易战的风险,打造完全自主可控的本土半导体供应链是必要的。而据安谋科技介绍,“星辰”STAR-MC1 处理器由安谋科技本土团队设计打造,本土技术的占比高于90%,因此,真正意义上做到了自主可控。
总结而言,“星辰”STAR-MC1 处理器是一款采用了先进架构、优化了总线和存储配置、且完全自主可控的高性能处理器。
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