1. STM32H7 перевершують своїх попередників за всіма ключовими параметрами - продуктивності, робочій частоті...
2. STM32H7 - двократне зростання швидкості і продуктивності
3. ST Microelectronics: науково-технічний прогрес вперед
4. STM32H7 і STM32F7: однакове ядро, але різні можливості
5. Шинна архітектура STM32H7
6. Кілька слів про харчування і споживанні STM32H7
7. Номенклатура STM32H7 від ST Microelectronics: Історія тільки починається
8. На допомогу розробнику: ПО і налагоджувальні засоби для STM32H7 від STMicroelectronics
9. висновок

З моменту появи мікроконтролерів STM32F7 виробництва STMicroelectronics пройшло вже два роки. Весь цей час сімейство лідирувала в рейтингу продуктивності мікроконтролерів STM 32. Однак нове сімейство STM32H7 на тому ж ядрі ARM Cortex-M7 з легкістю б'є рекорди попередника. За рахунок чого ж вдалося підняти продуктивність?

Компанія STMicroelectronics послідовно розвиває сімейства мікроконтролерів STM32. Найперше сімейство STM32F1 з'явилося більше десяти років тому і мало пікову продуктивність 61 DMIPS при максимальній робочій частоті 72 МГц. З тих пір компанія зробила кілька значних кроків вперед. Два роки тому мікроконтролери STM32F7 з ядром ARM Cortex-M7 встановили рекорд продуктивності - 462 DMIPS при робочій частоті 216 МГц. Однак тепер і цей рекорд перекритий новими микроконтроллерами STM32H7, причому - майже в два рази. Це вельми вражаючий результат, особливо якщо врахувати, що в новому флагманському сімействі використовується той же процесорний ядро.

STM32H7 перевершують своїх попередників за всіма ключовими параметрами - продуктивності, робочій частоті і багатства периферії

Мікроконтролери STM32H7, як і STM32F7, побудовані на базі ядра ARM Cortex-M7. Проте, STM32H7 перевершує попередника за всіма ключовими параметрами: по робочій частоті, продуктивності, багатства периферії, досконалості архітектури і рівню використовуваних технологій (малюнок 1). Забігаючи вперед, можна відзначити, що саме використання нових технологічних норм (40 нм) і просунутої шинної архітектури і дозволили зробити такий значний стрибок вперед.

Мал. 1. Мікроконтролери STM32H7 перевершують попередників з сімейства STM32F7 за всіма ключовими параметрами

STM32H7 - двократне зростання швидкості і продуктивності

Якщо уважно ознайомитися з номенклатурою контролерів STM32, можна помітити, що кожен тип процесорного ядра використовується як мінімум в двох родинах. Наприклад, на базі ARM Cortex-M3 побудовані сімейства STM32F1 і STM32F2. При цьому в STM32F2 з даного ядра вичавлюється максимум продуктивності. За аналогічним принципом можна згрупувати STM32F3 і STM32F4 з ядром ARM Cortex-M4F, а також STM32F7 і STM32H7 з ядром ARM Cortex-M7.

Таким чином, можна виділити наступні високопродуктивні сімейства:

• молодші лінійки STM32F4 Access line на базі ядра ARM Cortex-M4F з робочою частотою до 84 МГц і продуктивністю до 105 DMIPS (Dhrystone 2.1);
• сімейство STM32F2 на базі ядра ARM Cortex-M3 з робочою частотою до 120 МГц і продуктивністю до 150 DMIPS (Dhrystone 2.1);
• базові лінійки STM32F4 на базі ядра ARMCortex-M4F з робочою частотою до 168 МГц і продуктивністю до 210 DMIPS (Dhrystone 2.1);
• старші лінійки STM32F4 на базі ядра ARMCortex-M4F з робочою частотою до 180 МГц і продуктивністю до 225 DMIPS (Dhrystone 2.1);
• сімейство STM32F7 на базі ядра ARMCortex-M7 з робочою частотою до 216 МГц і продуктивністю до 462 DMIPS (Dhrystone 2.1);
• сімейство STM32H7 на базі ядра ARMCortex-M7 з робочою частотою до 400 МГц і продуктивністю до 856 DMIPS (Dhrystone 2.1).

Порівняння показників робочої частоти і продуктивності представлених сімейств дозволяє зробити відразу два очікуваних виведення. По-перше, частота не завжди безпосередньо визначає продуктивність. Наприклад, максимальна частота STM32F7 всього на 36 МГц більше, ніж у STM32F4 (малюнок 2), а продуктивність при тестуванні по Dhrystone 2.1 виявляється в два рази вище. Навіть при використанні результатів досконалішого тесту CoreMark приріст складе більше 450 балів - від 608 до 1082, або в 1,77 рази (рисунок 3). Таким чином, тип ядра багато в чому визначає продуктивність.

Мал. 2. Порівняння робочих частот продуктивних родин STM32

По-друге, при використанні одного і того ж ядра продуктивність майже цілком залежить від максимальної робочої частоти. Зокрема, сімейства STM32F7 і STM32H7 побудовані на базі ARM Cortex-M7, але частота STM32H7 в два рази вище (малюнок 2), що призводить до зростання продуктивності майже в два рази - до 2020 пунктів CoreMark (рисунок 3).

Мал. 3. Порівняння продуктивності родин STM32

Звичайно, з першого погляду все здається досить очевидним: збільшилася частота - зросла і продуктивність. Однак не варто забувати, що не можна безкарно підвищувати частоту. З одного боку, це призводить до зростання динамічних втрат і збільшення тепла, що виділяється, а з іншого - при досягненні деякого критичної межі транзистори просто не встигатимуть перемикатися, що неминуче призведе до рассинхронизации і нестабільної роботи.

У підсумку, щоб знайти істинні причини, чому швидкодія STM32H7 таке велике, необхідно копнути глибше. Оказивется, таких причин рівно дві: нова технологія і нова архітектура. Розберемося з кожної з них окремо.

ST Microelectronics: науково-технічний прогрес вперед

STM32H7 - перша родина мікроконтролерів STMicroelectronics, вироблене по топологічним нормам 40 нм. Всі розглянуті вище сімейства використовували технологію 90 нм.

Звичайно, 40 нм - це не рекорд в рамках напівпровідникових кремнієвих технологій. Найбільш просунуті виробники вже заявили про створення мікросхем з топологічними нормами 7 нм і про плани освоєння нових технологічних процесів 5 нм. Однак в даному випадку мова йде про процесорах, тобто про чисто цифрових пристроях. У цьому сенсі мікроконтролери - це принципово інші системи, в них присутні не тільки цифрові блоки, але також аналогова периферія і вбудована пам'ять, що значно ускладнює перехід на новий техпроцес. Наприклад, в STM32H7 інтегровані перетворювачі напруги, ЦАП, АЦП, компаратори, операційні підсилювачі.

Якщо ж говорити про впровадження технології 40 нм в сегменті мікроконтролерів, то це абсолютний рекорд. Саме завдяки йому в STM32H7 вдалося не тільки підвищити рівень інтеграції і розширити набір периферії, а й збільшити максимальну робочу частоту. Як відомо, при використанні більш досконалих топологічних норм вдається створювати транзистори меншого розміру з мінімальною місткістю затвора, що призводить до зниження динамічних втрат. Це, в свою чергу, дозволяє працювати з великими робочими частотами.

Для того щоб наочно продемонструвати всі переваги сімейства STM32H7, проведемо його порівняння з попереднім лідером рейтингу - STM32F7.

STM32H7 і STM32F7: однакове ядро, але різні можливості

Контролери STM32H7 і STM32F7 мають однакове ядро ​​ARM Cortex-M7. Однак якщо порівняти їх блок-схеми, то виявиться, що в STM32H7 - чимало нововведень (малюнки 4 і 5):

Мал. 4. Структура мікроконтролерів STM32F7

Мал. 5. Структура мікроконтролерів STM32H7. Помаранчевим виділені ключові зміни в порівнянні з STM32F7

• вдосконалена шинна архітектура;
• змінені системи тактирования і харчування;
• з'явилася нова периферія - таймер з підвищеним дозволом, таймер для режимів зниженого споживання, 16-бітний АЦП, компаратори, операційні підсилювачі, FDCAN.

Варто відзначити, що вся нова периферія STM32H7, яка була відсутня в STM32F7, все-таки була помічена в інших родинах мікроконтролерів STM32, чого не можна сказати про абсолютно новий підхід до побудови шинної архітектури. Саме нова архітектура є другою причиною високої продуктивності STM32H7. Розглянемо її докладніше в порівнянні з STM32F7.

Шинна архітектура STM32H7

Мікроконтролери STM32F7 використовують традиційну для STM32 шинну архітектуру, яка побудована на базі 32-бітної матриці multi AHB (рисунок 6). На жаль, при такому підході виявляється, що все швидкі вузли - ядро, ОЗУ, Flash, FMC, ЖК-контролер, Q-SPI - ділять шинну матрицю AHB з відносно повільними вузлами - USB, Ethernet, периферією. При цьому ядро ​​ARM Cortex-M7 має і другу більш швидкісну 64-бітну шину AXIM, але в STM32F7 її використовують вкрай обмежено. Вона підключається до мосту AXI-AHB, який перетворює чотири інтерфейси AXIM в звичний AHB-Lite. При цьому один інтерфейс AXI використовується для зв'язку з 64-бітної шиною AHB, підключеної до Flash-пам'яті, а три інших AXI підключені до 32-бітної шинної матриці multi AHB.

Мал. 6. Шинна архітектура STM32F7

Очевидно, що хоча з точки зору продуктивності мікроконтролери STM32F7 значно зробили крок вперед у порівнянні з попередниками, однак при цьому вони не до кінця реалізували потенціал ядра ARM Cortex-M7.

У новому сімействі STM32H7 можливості ARM Cortex-M7 використовуються набагато ефективніше. У цих контролерах застосовується революційна для мікроконтролерів STM32 шинна архітектура. У ній, з одного боку, реалізовані три незалежних домену, а з іншого - 64-бітна шина AXIM стає системоутворюючою нарівні з AHB (малюнок 7).

Мал. 7. Шинна архітектура STM32H7

Домен D1 призначений для найбільш високошвидкісних блоків і вузлів. Він об'єднує процесорний ядро, 64-бітну шинну матрицю AXI, ОЗУ команд ITCM, ОЗУ даних DTCM, два банки Flash, AXI SRAM, MDMA, SDMMC1, DMA2D (Chrom-Art Accelerator ™), LTDC (LCD-TFT). Шинна матриця AXI здійснює арбітраж між провідними і відомими пристроями з карусельні принципом зміни доступу. ОЗУ команд (ITCM) і даних (DTCM) безпосередньо взаємодіють з процесорним ядром через 64-бітові шини TCM.

Збільшена пропускна здатність AXI і скорочення числа повільних пристроїв дозволяють максимально швидко і ефективно проводити обмін даними між тими вузлами, які дійсно цього потребують.

Решта блоки виведені в два залишилися домену. Для зв'язку вузлів з різних доменів виділено чотири шини:

• D1-to-D2 AHB - 32-бітна шина, що дозволяє провідним пристроям з домену D1 (masters) взаємодіяти з відомими з домену D2 (slaves);
• D2-to-D1 AHB - 32-бітна шина, що дозволяє провідним пристроям з домену D2 (masters) взаємодіяти з відомими з домену D1;
• D1-to-D3 AHB - 32-бітна шина, що дозволяє провідним пристроям з домену D1 (masters) взаємодіяти з відомими з домену D3 (slaves);
• D2-to-D3 AHB - 32-бітна шина, що дозволяє провідним пристроям з домену D2 (masters) взаємодіяти з відомими з домену D3 (slaves).

Домен D2 побудований на базі 32-бітної матриці multi AHB. Він включає більшість периферійних вузлів та блоків з відносно невисокою продуктивністю: USB, SDMMC2, Ethernet, АЦП, SAI, таймери, комунікаційні інтерфейси (I²C, SPI, UART) і так далі.

Нескладно помітити, що домен D2 - це спрощена версія традиційної архітектури, що дісталася в спадок від STM32F7 (рисунок 6). При цьому тут присутній цілих три блоки ОЗУ і два контролера прямого доступу до пам'яті DMA. Це означає, що, незважаючи на «другорядне» значення, блоки в даному домені працюють з максимальною продуктивністю.

Домен D3 - домен, який об'єднує блоки, призначені для роботи в режимах найменшого споживання: EXTI, RTC, LPTIM2, LPTIM3, LPTIM4, LPTIM5, COMP1, COMP2, SAI4, ADC3, RCC.

Цей домен також має власну пам'ять ОЗУ, Backup ОЗУ 4 кбайт і контролер прямого доступу до пам'яті BDMA.

Якщо підсумувати все сказане, то архітектура STM32H7 в порівнянні з архітектурою STM32F7 більш повно і ефективно використовує потенціал ядра ARM Cortex-M7, що позитивно позначається на продуктивності окремих блоків і всього мікроконтролера в цілому. Застосовувана доменна структура дає відразу кілька переваг:

• підвищення швидкості обміну даними за рахунок поділу швидких і повільних пристроїв;
• збереження швидкодії периферії за рахунок власного ОЗУ і DMA в кожному з доменів;
• можливість досягнення мінімального споживання за рахунок незалежного харчування і тактирования доменів.

На питанні харчування і споживання варто зупинитися окремо.

Кілька слів про харчування і споживанні STM32H7

Система харчування STM32H7 виявляється більш ефективною в порівнянні з STM32F7 з кількох причин:

• хоча основний вбудований перетворювач використовується для живлення всіх трьох доменів, проте, завдяки додатковим інтегрованим силових ключів, домени D1 і D2 можуть бути відключені в будь-який час для економії енергії;
• значно розширено арсенал малопотребляющіх блоків (LPTIMx, LPUARTx та інших), які залишаються в активному стані, навіть коду всі інші вузли знаходяться в глибокому сні;
• для USB був виділений окремий вбудований перетворювач;
• завдяки новому техпроцесу 40 нм вдається значно скоротити динамічні втрати.

Щоб не бути голослівними, наведемо конкретний приклад. При виконанні коду з Flash при відключеною периферії, частоті 216 МГц і напрузі живлення 3,3 В мікроконтролери STM32F7 споживають 190 мА. Якщо вірити документації, при тих же умовах споживання для STM32H7 становить всього 38 ... 56 мА.

Таким чином, STM32H7 не тільки перевершують попередників з STM32F7 по продуктивності і багатства периферії, а й мають набагато нижчий рівень споживання.

Тепер, коли виконано огляд основних архітектурних і технологічних особливостей STM32H7, розглянемо модельний ряд даного сімейства.

Номенклатура STM32H7 від ST Microelectronics: Історія тільки починається

На даний момент STMicroelectronics пропонує тільки дві лінійки STM32H7: STM32H753 - з блоками криптографії та STM32H743 - без блоків криптографії. Ще дві лінійки - STM32H7x7 і STM32H7x5 - обіцяють випустити протягом 2018 року.

Мал. 8. Модельний ряд мікроконтролерів сімейства STM32H7

Модельний ряд STM32H7 поки що об'єднує 12 моделей з об'ємом Flash 2 Мбайт і різними корпусними виконаннями (рисунок 8, таблиця 1). Ще шість моделей з об'ємом Flash 1 Мбайт обіцяють представити найближчим часом.

Таблиця 1. Характеристики мікроконтролерів сімейства STM32H7

Найменування Частота, МГц Flash, кбайт ОЗУ, кбайт АЦП 16 біт, каналів ЦАП 12 біт, каналів Ком-пара-тори Лінії I / O TFT-LCD-контролер ОУ Crypto-HASH Uпит, В tраб, ° C Корпус STM32H743BI 400 2048 1024 20 2 2 168 LCD TFT 1024 × 728 2 - 1,7 ... 3,6 -40 ... 85 LQFP 208 STM32H743II 140 - LQFP 176 STM32H743AI 131 - UFBGA 169L STM32H743VI 82 - LQFP 100 STM32H743XI 168 - TFBGA 240 + 25L STM32H743ZI 114 - LQFP 144 STM32H753AI 131 - UFBGA 169L STM32H753BI 168 AES, DES / TDES, HMAC, MD5, SHA LQFP 208 STM32H753II 140 AES, DES / TDES, HMAC, MD5, SHA BGA 176, LQFP 176 STM32H753VI 82 AES, DES / TDES, HMAC, MD5 , SHA LQFP 100, TFBGA 100L STM32H753XI 168 AES, DES / TDES, HMAC, MD5, SHA TFBGA 240 + 25L STM32H753ZI 114 - LQFP 144

Високопродуктивні мікроконтролери STM32H7 здатні вирішувати широке коло завдань. Їх області застосування можуть виявитися навіть ширше, ніж у їхніх попередників STM32F7, наприклад:

• приводи двигунів і системи управління;
• промислові пульти операторів, ПЛК і різні функціональні блоки ЧПУ;
• медичне обладнання, в тому числі - з дисплеями;
• офісна техніка: принтери, сканери, МФУ;
• системи безпеки, в тому числі - з відеоспостереженням;
• системи клімат-контролю;
• побутова техніка;
• мобільні додатки та Інтернет речей;
• портативна електроніка, наприклад, «розумні годинник» і так далі.

Одночасно з появою нового сімейства компанія STMicroelectronics почала випуск налагоджувальних плат. Крім того, підтримка мікроконтролерів STM32H7 вже реалізована не тільки в фірмовому безкоштовному ПО, але і в системах розробки від сторонніх виробників.

На допомогу розробнику: ПО і налагоджувальні засоби для STM32H7 від STMicroelectronics

Компанія STMicroelectronics поки не повідомляла про намір випустити оціночну плату для STM32H7 в уже улюбленим розробникам форматі Discovery, проте не менш популярний продукт - плата Nucleo - вже доступна.

плата NUCLEO-H743ZI побудована на базі мікроконтролерів STM32H743ZIT6 (малюнок 9). Вона може використовуватися з численними модулями розширення, виробленими STMicroelectronics.

Мал. 9. Плати NUCLEO-H743ZI на базі мікроконтролерів STM32H743ZIT6

Для більш щільного знайомства і освоєння STM32H7 пропонуються налагоджувальні плати STM32H753I-EVAL на базі STM32H753XIH6 і STM32H743I-EVAL на базі STM32H743XIH6 (рисунок 10). Крім безпосередньо мікроконтролера на платах розташовані такі компоненти:

Мал. 10. Отладочная плата STM32H743I-EVAL на базі STM32H743XIH6

• кольоровий TFT-дисплей 5,7 "з роздільною здатністю 640 × 480 мм і сенсорним краном;
• 8 Гбайт SDIO3.0;
• microSD ™;
• 8Mx32 біт SDRAM, 1Mx16 біт SRAM і 8Mx16 біт NOR Flash;
• 1 Гбіт Quad-SPI NOR Flash
• Ethernet RJ45;
• 3xUSB OTG HS і FS;
• RS-232 (роз'єм DB-9);
• FD-CAN (9 роз'єм DB);
• аудіороз'єм для навушників і мікрофону;
• два аудіороз'єми для динаміків;
• потенціометр;
• ціфровоймікрофон;
• 4 світлодіода;
• джойстик (4 положення);
• кнопки скидання, пробудження і призначена для користувача клавіша;
• роз'єми живлення;
• відладчик ST-LINK / V2-1.

Для STM32H7 традиційно пропонується набір супутнього безкоштовного ПО:

• STM32CubeH7 - бібліотеки, що описують апаратний рівень Hardware Abstraction Layer (HAL), приклади, шаблони, а також компоненти більш високого рівня абстракції (наприклад, реалізації USB, TCP / IP, RTOS так далі).
• STM32CubeMX - безкоштовний конфигуратор і кодогенератор. Він дозволяє створити файли ініціалізації мікроконтролера за допомогою простого графічного інтерфейсу. Інструмент має можливість настройки системи тактирования, портів введення-виведення з урахуванням використовуваної периферії і так далі.

STM32H7 має підтримку різних інтегрованих середовищ розробки - як комерційних (IAR Embedded Workbench, Keil MDK-ARM, ARM® mbed ™ online), так і безкоштовних, побудованих на базі GCC-компілятора (SW4STM32, Atollic TrueSTUDIO, CooCox CoIDE).

висновок

Нове флагманське сімейство STM32H7 є найпотужнішим серед усіх сімейств STM32 і без особливих зусиль б'є рекорди, встановлені попереднім лідером STM32F7.

У порівнянні з STM32F7 нові мікроконтролери STM32H7 відрізняються вдвічі більшою робочою частотою і продуктивністю, розширеним набором периферії і істотно меншим рівнем споживання.

Такий значний стрибок вперед для STM32H7 став можливий завдяки двом основним причин: переходу на нову технологію виробництва 40 нм і реалізації революційної для STM32 доменної шинної архітектури, в якій основну роль грає високопродуктивна 64-бітна шина AXIM, в той час як раніше основною шиною для всіх мікроконтролерів STM32 була 32-бітна AHB.