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意法半導(dǎo)體：真事兒！STM32上可以跑Linux了

本文作者：徐俊毅點(diǎn)擊： 2019-11-13 13:40

前言：

意法半導(dǎo)體微控制器事業(yè)部STM32微處理器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Sylvain RAYNAUD

自從2007年第一顆STM32 MCU問世，意法半導(dǎo)體的32位MCU業(yè)務(wù)就走上快速成長(zhǎng)的道路，現(xiàn)已發(fā)展出了“F，G，L，H，W（字母順序排列）”多個(gè)系列數(shù)百種產(chǎn)品，從超低功耗到高性能，滿足從消費(fèi)到工業(yè)等廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用需求，是目前全球數(shù)一數(shù)二的MCU供應(yīng)商。

STM32系列的產(chǎn)品無(wú)一例外都使用了ARM Cortex-M架構(gòu)，超低功耗采用Cortex-M0，而最高性能則使用Cortex-M7

隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧制造、智慧生活技術(shù)的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用對(duì)性能的需求也變得越來(lái)越高，ARM Cortex-M系列的性能局限越來(lái)越明顯。經(jīng)過多年準(zhǔn)備，意法半導(dǎo)體在今年開辟了新的產(chǎn)品線，首款產(chǎn)品STM32MP1于2019年早些時(shí)候發(fā)布，正式將Cortex A7架構(gòu)引入STM32家族。STM32MP1系列采用了兩顆核心的異構(gòu)架構(gòu)，集成兩顆主頻650MHz的Arm Cortex-A7應(yīng)用處理器內(nèi)核和一顆運(yùn)行頻率209MHz的高性能Arm Cortex-M4微控制器內(nèi)核。

這是12年來(lái)，STM32家族首次引入Cortex-M系列以外的計(jì)算架構(gòu)。

Cortex-M7 到 Cortex-A7 性能飛升

Cortex-M7：2014年ARM發(fā)布的全新Cortex-M架構(gòu)，面向高端嵌入式應(yīng)用，2016年采用Cortex-M7架構(gòu)的STM32 H7問世，40納米工藝制造的，在400MHz運(yùn)行頻率下，單核心性能達(dá)到865DMIPS。

STM32H7登頂嵌入MCU的性能之王的同時(shí)，也達(dá)到了在40納米工藝條件下，ARM公布的Cortex-M7架構(gòu)的性能極限。那么Cortex-A7架構(gòu)呢？

Cortex-A7：是定位于手機(jī)應(yīng)用處理器的計(jì)算架構(gòu)，2011年發(fā)布，ARM官方數(shù)據(jù)是28nm工藝，1.9DMIPS/MHz。STM32MP1系列首款產(chǎn)品的頻率為650MHz，換算下來(lái)的理論性能為1235DMIPS，相比STM32H7 單核性能高出至少40%！而STM32MP1提供了雙核版本，官方公布的性能達(dá)到了2470DMIPS，是STM32 H7的2.8倍！

但運(yùn)行在650MHz這僅僅Cortex-A7架構(gòu)起始頻率，要知道在手機(jī)中使用Cortex-A7架構(gòu)處理器的運(yùn)行頻率都在1GHz以上，而像紅米1S這樣的手機(jī)是直接采用了4顆Cortex-A7架構(gòu)，主頻跑到了1.5GHz！也就是說(shuō)，對(duì)于STM32MP1系列來(lái)說(shuō)，Cortex-A7架構(gòu)還有至少2~5倍的性能提升空間。

STM32MP1系列在性能上從一開始就甩開了MCU，是一顆貨真價(jià)實(shí)的處理器,因?yàn)樗獞?yīng)對(duì)更大的挑戰(zhàn)----運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上。

OpenSTLinux同步上線

STM32MP1強(qiáng)大的計(jì)算能力為運(yùn)行一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)提供了性能基礎(chǔ)，這與現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)普遍被要求提供圖形界面有很大關(guān)系。無(wú)論消費(fèi)、工業(yè)、醫(yī)療還是智能家居產(chǎn)品，具有嵌入式操作系統(tǒng)的圖形界面設(shè)備受到更多歡迎，因?yàn)閳D形界面不僅友好而且可以提供更多信息和操作。因此，與STM32MP1同時(shí)公布的還有主流開源Linux發(fā)行版OpenSTLinux Distribution。這讓設(shè)計(jì)人員可以省去嵌入式設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)對(duì)接的一系列麻煩。一顆Cortex-A7運(yùn)行系統(tǒng)，而另一顆Cortex-M4專注傳感器信號(hào)、馬達(dá)控制等透過芯片的安全加密機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還可以在Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)720P的圖形效果,這會(huì)節(jié)省下大量的系統(tǒng)級(jí)的調(diào)試驗(yàn)證時(shí)間，而且節(jié)約人力。

OpenSTLinux 發(fā)行版支持在STM32MP1的Cortex-A7內(nèi)核上的開發(fā)項(xiàng)目，并包含Linux BSP板級(jí)支持包、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序、引導(dǎo)鏈和安全操作系統(tǒng)（OP-TEE：可信執(zhí)行環(huán)境）等重要組件。OpenSTLinux現(xiàn)已通過了 Linux Foundation、Yoctoproject、Linaro等Linux社區(qū)的審批。該發(fā)行版包含在STM32MP1應(yīng)用處理器內(nèi)核上運(yùn)行軟件所需的全部基本組件。

“STM32MP1中的Cortex-A7部分，使用OpenSTLinux開發(fā)包，可以保證系統(tǒng)軟件的穩(wěn)定性。在Cortex-M4可重復(fù)使用以前的STM32Cube應(yīng)用，這樣整體的STM32MP1就有一個(gè)完整的嵌入式軟件發(fā)行版給客戶”意法半導(dǎo)體微控制器事業(yè)部STM32微處理器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Sylvain RAYNAUD說(shuō)。

使用預(yù)集成的安全操作系統(tǒng)OP-TEE，設(shè)計(jì)人員可以使用免費(fèi)使用加密OS的功能，讓系統(tǒng)在可信區(qū)域加密。

為了讓設(shè)計(jì)人員順利用好STM32MP1的開發(fā)平臺(tái)，ST專門開設(shè)了百科內(nèi)容https://wiki.st.com/stm32mpu,無(wú)論初學(xué)者還是資深工程師都可以在這里找到想要的各種內(nèi)容和工具。

除了Linux平臺(tái)，ST還與Witekio展開合作，將Android移植到STM32MP1上。Witekio董事長(zhǎng)Yannick Chammings表示：“Witekio通過開發(fā)基于STM32MP1系列的完整軟件系統(tǒng)，從Linux或Android定制，到Qt HMI開發(fā)和云連接，陪同ST客戶開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目。”

三秒喚醒圖形界面和萬(wàn)分之四的待機(jī)功耗

STM32MP1針對(duì)功耗的優(yōu)化做得非常細(xì)致，有全功率模式、分批功耗優(yōu)化模式、待機(jī)模式三種情況。

全速運(yùn)行模式時(shí)Cortex-A7部分的核心頻率為650MHz，性能達(dá)2470DMIPS，同時(shí)雙核Cortex-A7 3D GPU部分開啟，可以提供3D圖形顯示能力，Cortex-M4運(yùn)行在209MHz，性能達(dá)到260 DMIPS，這時(shí)整體功耗處于最大狀態(tài)；而運(yùn)行在低功耗應(yīng)用時(shí)，Cortex-A7核心處于待機(jī)模式，只有用Cortex-M4內(nèi)核在運(yùn)行，功耗只有全速模式的四分之一；而如果STM32MP1整體進(jìn)入待機(jī)模式的情況，功耗只是前一個(gè)模式的1/2500。

“我們，從待機(jī)模式回到全速運(yùn)行有一個(gè)很重要的關(guān)鍵因素，就是喚醒時(shí)間。 STM32MP1只需1秒回到Linux界面，只需要3秒回到Linux系統(tǒng)3D圖形應(yīng)用界面”Sylvain RAYNAUD強(qiáng)調(diào)。

為實(shí)現(xiàn)精確的功耗控制，ST為STM32MP1系統(tǒng)配套了STPMIC1電源管理芯片。

STPMIC1集成了四個(gè)DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器、六個(gè)LDO穩(wěn)壓器、一個(gè)DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器，以及USB VBUS和通用功率開關(guān)，節(jié)省空間和BOM成本，為STM32MP1和電路板上的其它組件提供所需的電壓軌。STPMIC1采用功耗優(yōu)化技術(shù)，是電池供電應(yīng)用中的STM32MP1系列的理想配套芯片。

Sylvain RAYNAUD表示，STPMIC1可以幫客戶做到三個(gè)重要的點(diǎn)：一是優(yōu)化客戶系統(tǒng)功耗；二是節(jié)省成本；三是可以達(dá)到更小PCB設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)。

開發(fā)板

由于可以運(yùn)行在linux系統(tǒng)上，所以這次STM32MP1的開發(fā)板是類似于樹莓派這樣的完整系統(tǒng)，十分方便設(shè)人員進(jìn)行功能評(píng)估、系統(tǒng)原型開發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)。STM32MP1提供兩套板子，一是全部功能板，包括兩套評(píng)估板，支持157A和157C，157C是安全加密功能升級(jí)的部分。探索板有兩套，一套是精簡(jiǎn)的只有MP1+基本外設(shè)，還有一個(gè)相對(duì)完整的功能，配MIPI屏，以及配了Wi-Fi/BT射頻模塊，需要做無(wú)線連接的時(shí)候，可以以此為原型來(lái)開發(fā)。三套開發(fā)板近期可在STM32天貓旗艦店購(gòu)買。

此外，除了ST官方提供的開發(fā)工具，第三方提供的開發(fā)板和各種可商業(yè)應(yīng)用的核心板也已經(jīng)陸續(xù)上市。

STM32MP1家族將持續(xù)壯大

STM32MP1系列開辟了全新的市場(chǎng)空間，STM32MP1系列將Cortex-M4和Cortex-A7組合得到了更具競(jìng)爭(zhēng)力的MPU產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員可以透過OpenSTLinux得到大量標(biāo)準(zhǔn)化的工具和模塊，同時(shí)可以兼顧安全性，STM32以往的產(chǎn)品和工具也可以直接移植過來(lái)使用，對(duì)設(shè)計(jì)力量薄弱的中小型公司來(lái)說(shuō)大大降低了產(chǎn)品原型的成本和門檻。

可以看出，STM32MP1這種異構(gòu)的組合方式具有非常大的調(diào)整潛力，目前的組合可以滿足相當(dāng)多的應(yīng)用需求，未來(lái)隨著需求變化，ST可以調(diào)整多種組合方案滿足市場(chǎng)需求，加上超過10年的長(zhǎng)期供貨保證，ST在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)、智能家居MPU市場(chǎng)處于優(yōu)勢(shì)地位。

“STM32MP1的研發(fā)不是在中國(guó)本土進(jìn)行的，目前STM32MP1屬于高性能MCU部門，不排除未來(lái)單獨(dú)成為一個(gè)部門的可能”意法半導(dǎo)體微控制器部門技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理 Jane YE葉潔珍說(shuō)。

附錄：

STM32MP1系列微處理器集成兩顆主頻650MHz的Arm Cortex-A7應(yīng)用處理器內(nèi)核和一顆運(yùn)行頻率209MHz的高性能Arm Cortex-M4微控制器內(nèi)核。為防止MPU系統(tǒng)出現(xiàn)性能瓶頸和帶寬問題，STM32MP1支持經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的DDR SDRAM存儲(chǔ)器，包括DDR3、DDR3L、LPDDR2、533MHz的32/16位LPDDR3。此外，STM32MP1還支持各種閃存產(chǎn)品：eMMC、SD卡、SLC NAND、SPI NAND和Quad-SPI NOR閃存。

3D圖形處理單元（GPU）可實(shí)現(xiàn)基于OpenGL® ES2.0接口的高級(jí)HMI開發(fā)以及Linux和各種應(yīng)用程序框架（包括Android Qt）的本機(jī)支持。STM32MP1支持60fps、高達(dá)WXGA的 24位并行RGB顯示器接口和運(yùn)行頻率1Gbps的有2個(gè)數(shù)據(jù)通道的MIPI® DSI接口。

STM32MP1有為多種應(yīng)用量身定做不同的封裝。STM32MP1有三條產(chǎn)品線：157、153、151。151配備了Cortex-A7+Cortex-M4；153是在151的基礎(chǔ)上增加了CAN FD和雙核Cortex A7；157是目前系列中性能最高產(chǎn)品，雙核Cortex-A7+Cortex-M4、3D GPU 以及CAN FD。還有可選配的安全功能，這三條產(chǎn)品線加上可選的增強(qiáng)功能可選就有了6個(gè)型號(hào)可供選擇。

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