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实时、效能、功耗,MCU+AP"异构计算"抢手

本文作者:任苙萍       点击: 2019-11-18 15:08
前言:
当微控制器 (MCU) 功能越来越强大,与微处理器 (MPU) 的界限为何?日前刚发表首款通用型 MPU 产品——STM32MP1 的意法半导体 (ST),自有一套看法:处理性能和资源要求更高、且需要大型开源软件应用领域的,就交给 MPU。MCU 部门 STM32 MPU 产品营销经理 Sylvain RAYNAUD 在媒体团访所秀出的第一张简报画面即是:当 STM32 遇上 Linux,会擦出什么火花?引言 STM32MP1 与应用端连结的独特。奠基于主流开源 Linux 发行版——OpenSTLinux Distribution,意在将 STM32 系列从实时任务和功耗限制为主的应用,扩大至更广泛的市场。
 

照片人物:ST MCU 部门 STM32 MPU 产品营销经理 Sylvain RAYNAUD
 
承袭 MCU 荣光,STM32 再添 MPU新成员
熟悉 MCU 开发者,对 STM32 想必不陌生;自从 2007 年推出全球第一款 Arm Cortex-M MCU——STM32F1 迄今,ST 已称霸 32 位通用 MCU 市场,并坚守十年长期供货、保证每年更新的承诺;当然,最新隆重登场的 STM32MP1 也不例外,这对工业、医疗或相对高端的消费类设计至关重要。RAYNAUD 介绍 STM32MP1 的特点如下:内嵌 3D 图形处理器 (GPU) 以支持人机接口 (HMI) 显示器,有助于提升工业控制面板等设备的使用者体验;同时拥有计算和图形处理能力、兼具高效实时控制和高功能整合度。
 

图1:STM32 曾创下业界多项辉煌记录
资料来源:ST 提供
 
如前文所述,器件间的连接接口亦会影响嵌入式计算效能。STM32MP1 提供搭载 OpenGL ES2.0 接口的高端 HMI 开发,并支持 Linux 和包括 Android Qt 在内的各种应用程序架构及 MIPI DSI 端口。RAYNAUD 宣示,32MP1 乃面向三大目标族群而来:1.原本惯用 MCU、新近接触 MPU 者;2.有混合使用 MCU 与 MPU 的需求者;3.单纯想寻找灵活 MPU 的开发者。若欲使用开源软件开发"实时且有功耗限制"的系统,32MP1 优势尤其明显。例如,全天候监控+间歇性分析处理,由 MCU 负责前端实时监控,后在特定时间点启动应用处理器 (AP)。
 
32MP1 整合两颗主频 650MHz 的 Arm Cortex-A7 AP 和一颗 209MHz Arm Cortex-M4 MCU,可让用户便于进行 STM32 异构计算开发,确保在单一芯片上执行快速数据处理和实时任务,无时无刻皆可发挥最高效能。STM32MP1 还嵌入大量外部周边,可无缝配置资源给 Cortex-A/Linux 或 Cortex-M实时操作;另为防止 MPU 系统出现性能瓶颈和带宽问题,它支持 DDR3、DDR3L、LPDDR2、533MHz 的 32/16 位 LPDDR3 等多种 DDR SDRAM 内存,以及 eMMC、SD卡、SLC NAND、SPI NAND 和 Quad-SPI NOR 等闪存 (Flash)。
 

图2:STM32MP1 弹性架构有利于能源效率
资料来源:ST 提供
 
STM32MP1:软、硬件一次到位,固件是胜出关键
实测显示,暂停 Cortex-A7 执行指令、只让 Cortex-M4 运作,功耗可降低至 25%,由此进入待机状态功耗可再降至 1/2500 (取决于实际应用)。更惊艳的是,可在 1~3 秒恢复执行 Linux;搭配 ST 专程开发的 STPMIC1 能源管理配套芯片可进一步简化设计、减少物料清单 (BOM) 成本并优化功耗——集成 DC / DC 和低压差稳压器 (LDO) 的 STPMIC1,亦可单独供内存和设
使用。承袭 STM32 生态系统是另一项傲人资产,包括:STM32CubeMX+STM32CubeProgrammer 软件开发工具包 (SDK) 和评估板/探索板/电路板与模块系统 (SoM) 等硬件。
 
RAYNAUD 透露,STM32CubeMX 固件是 STM32MP1 从竞品脱颖而出的关键。它可简化 Cortex-A7 和 Cortex-M4 内核的软、硬件配置,产生 M4 处理器 C 语言程序代码、DDR SDRAM接口配置、除错工具以及 Linux Device Tree 树状设备档。加强型 STM32Cube 工具是 Cortex-M MCU STM32Cube 特别升级版,具有加速 Arm Cortex-A AP 所需的全部功能并可供 Cortex-M MCU完全重复使用,只要一次性投资就可繁衍迭代产品。不仅有多个应用程序编程接口 (API) 可存取周边、且集合多种中间件供 Cortex-M 使用,迄今已有数百个实例,直接投产质量无虞。
 

图3:STM32MP1 软件工具
资料来源:ST 提供
 
如此,将有利于企业授权。为优化项目的阶段性任务,ST 备有三种 SDK 供用户选择:1.Starter Package (STM32MP1Starter),入门体验 STM32MP1 的硬件流畅;2.Developer Package (STM32MP1Dev),可在 STM32MP1 嵌入式软件发行版进行开发;3.Distribution Package (STM32MP1Distrib),创建自己特有的 Linux 发行版、Starter 和 Developer 软件包。ST 亦为用户提供一系列社群板和第三方模块系统板,以第三方电路板制作原型并生产 Linaro 电路板规格 (96boards.org) 或各种不同形式的商用模块系统。
 
"开源、云台、社群"成最强后盾
ST 还与系统整合商 Witekio 共同将 Android 移植到 STM32MP1,提供从 Linux 或 Android 系统客制化到 Qt HMI 的开发和云台连接,协助用户创新物联网 (IoT)。外加线上开发社群 (
https://community.st.comhttps://wiki.st.com/stm32mpu) 等顾客支援及 Linux 开源相助,可缩短研发周期;ST 还与开源软件供货商 Timesys 合作补强安全 Yocto BSP 板级支持包维护并投注心力在 meta-timeys 整合上,冀让用户减少管理漏洞的时间。OpenSTLinux 现已通过 Linux Foundation、Yoctoproject、Linaro 等 Linux 社群审核。
 
发行版涵盖 AP 运作软件所需的所有基本组件,包含:Linux BSP 板级支持包、Linux 核心、驱动程序、开机程序和安全操作系统 (OP-TEE,可信赖执行环境) 等。STM32MP1 系列本身亦嵌入 TrustZone、加密算法、哈希计算、安全启动、防篡改脚位和实时时钟等多项硬件安全加密功能,确保程序代码的真实性。携手云台服务供货商 (CSP) 则是另一个布局重点,早在 2017 年,ST 便已与亚马逊 AWS 宣布将 Amazon FreeRTOS 开源操作系统和相关软件库搭载在超低功耗 STM32L4 MCU,且使 B-L475E-IOT01A IoT 节点探索工具成为 FreeRTOS 入门套件。
 
 
图4:STM32MP1 针对多种应用量身订制,现有 24 种型号进入量产
资料来源:ST 提供
 
上述新型开发板提供通信连接、多路传感器和控制功能,支持 Arduino Uno V3 和 PMOD 接口,可插接各种专用子板,无限扩大系统功能。新款 MPU 家族是否能如期比照办理并延伸至其他云台?值得期待。此外,"产品线广、配置选项多"是 ST 产品备受赞誉的主因之一,STM32MP1 采用多种球栅数组 (BGA) 封装,密度、导热性及电性传导较佳,支持成本最低的电路板结构且极小化板空间。特别一提的是,STM32MP1 内建多个经过事先优化的内存配置选项,系统会聪明且有效运用系统资源,既可省去人工调试麻烦、又能避免资源不足或浪费。