電子工程師在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)除了規(guī)劃產(chǎn)品的功能之外，其中一項(xiàng)很重要的工作就是進(jìn)行MCU的選型。選擇合適的MCU對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)至關(guān)重要，如何充分利用MCU的功能，并盡可能節(jié)省設(shè)計(jì)成本和資源是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前MCU產(chǎn)品市場(chǎng)里，200MHz算力開(kāi)源指令集以下的MCU產(chǎn)品占絕大多數(shù)，200MHz到1.5GHz范圍內(nèi)的中端、高端MCU產(chǎn)品寥寥，基本由國(guó)外大廠壟斷。而工業(yè)自動(dòng)化和智能汽車(chē)領(lǐng)域等熱門(mén)領(lǐng)域持續(xù)的應(yīng)用升級(jí)，以及隨著復(fù)雜運(yùn)算、多媒體技術(shù)、邊緣AI等高級(jí)創(chuàng)新應(yīng)用的不斷發(fā)展，MCU需要兼顧開(kāi)源指令集算力與拓展性的需求愈發(fā)明顯，市場(chǎng)對(duì)高性能MCU的需求快速增長(zhǎng)。

為了兼顧開(kāi)源指令集顧算力與拓展性，國(guó)內(nèi)不少采用ARM Cortex-M系列內(nèi)核的MCU廠商的產(chǎn)品布局都有往M7內(nèi)核或者異構(gòu)架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)，近期市場(chǎng)上就有基于ARM Cortex-M7內(nèi)核的MCU新品發(fā)布。與此同時(shí)，基于RISC-V開(kāi)源指令集架構(gòu)的MCU也在快速發(fā)展，先楫半導(dǎo)體HPM6000系列MCU憑借先創(chuàng)新總線(xiàn)架構(gòu)與一系列高性能外設(shè)，在高開(kāi)源指令集算力和靈活拓展性上更勝一籌。

這里挑選先楫半導(dǎo)體雙核HPM6750和單核HPM6400兩個(gè)系列，與近期發(fā)布的ARM Cortex-M7內(nèi)核XX32H7系列做詳細(xì)的對(duì)比。

圖1 內(nèi)核與存儲(chǔ)對(duì)比

主頻的差別很明顯，HPM6750和HPM6400更高的算力在高數(shù)據(jù)吞吐量高實(shí)時(shí)性的需求里優(yōu)勢(shì)更大，得益于RISC-V本身的簡(jiǎn)潔性和模塊化設(shè)計(jì)，CPU能運(yùn)行在更高的頻率，帶來(lái)更高的性能。先楫的RISC-V MCU從跑分來(lái)看比現(xiàn)有市面上所有M7核MCU產(chǎn)品的跑分都高，即使拋開(kāi)主頻不談，以CoreMark/MHz來(lái)比較，仍比M7核產(chǎn)品高出10%以上性能，這一點(diǎn)在上圖也能明顯看到，這意味著代碼執(zhí)行效率更高。

HPM系列在片上內(nèi)存、高速緩存和同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)上提供了更大的容量，這能夠讓MCU支持更加復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，代碼執(zhí)行效率也會(huì)更高。

圖2 定時(shí)器、伺服、運(yùn)算對(duì)比

在Timer配置上，Advanced Timer用于工業(yè)控制，多用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源應(yīng)用等場(chǎng)合，HPM6750和HPM6400均采用4x24Bit配置，可支持四電機(jī)控制，在相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景性能更強(qiáng)。General Timer的配置上XX32H7采用了12x16Bit,2x32Bit的配置，但是定時(shí)器數(shù)目沒(méi)有HPM6750和HPM6400多（HPM定時(shí)器4個(gè)一組）。

在伺服增強(qiáng)上，DFSDM搭配外部的Σ-Δ器件使用進(jìn)行測(cè)量、馬達(dá)控制等應(yīng)用。XX32H7配置了8通道的DFSDM，HPM6750和HPM6400沒(méi)有配備類(lèi)似模塊，后續(xù)HPM6200系列已支持Σ-Δ濾波器。XX32H7包含脈沖分頻輸出，便于實(shí)現(xiàn)脈沖型伺服電機(jī)應(yīng)用，HPM6700和HPM6400沒(méi)有集成專(zhuān)用外設(shè)，但可以通過(guò)軟件搭配PWM外設(shè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似功能。另外，筆者了解到，在上海先楫即將推出的HPM5300系列產(chǎn)品上，實(shí)現(xiàn)了靈活的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包含了包括增量式和絕對(duì)值在內(nèi)的各類(lèi)編碼器輸入或輸出，實(shí)現(xiàn)更靈活，功能更強(qiáng)大。

針對(duì)電機(jī)控制和電源這些應(yīng)用，通過(guò)TMU硬件加速可以大大提高控制系統(tǒng)的性能，XX32H7支持TMU，HPM6750和HPM6400的CPU運(yùn)行效率和TI的C2000+TMU處在同一水平，所以不需要額外增加TMU等硬件模塊來(lái)加速運(yùn)算。

圖3 模擬與接口對(duì)比

到模擬部分，ADC作為MCU最重要的模擬外設(shè)，HPM6750和HPM6400內(nèi)嵌了1個(gè)16Bit ADC和3個(gè)12Bit ADC，XX32H7僅配置了2個(gè)14Bit ADC和1個(gè)12Bit ADC。在ADC配置上HPM系列不僅內(nèi)嵌了更多ADC模塊，而且精度更高。比較器的差別一目了然，在電路設(shè)計(jì)上更加便捷。DAC部分xx32H7配置了一個(gè)12Bit DAC，但1個(gè)DAC偏少。HPM系列自6300開(kāi)始，已經(jīng)開(kāi)始支持DAC。

接口豐富性上，三款芯片的接口外設(shè)都稱(chēng)得上豐富，HPM6750和HPM6400中集成了17個(gè)串口、4個(gè)CAN FD、2個(gè)高速USB、2個(gè)千兆以太網(wǎng)。千兆以太網(wǎng)在MCU上是不小的亮點(diǎn)，以后千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，這一點(diǎn)上HPM優(yōu)勢(shì)突出。另外，HPM6700和HPM6400支持4路CAN FD，支持這么多路CAN接口的MCU非常罕見(jiàn)，由于CAN總線(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越豐富，這也是先楫半導(dǎo)體產(chǎn)品的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

圖4 熱和封裝對(duì)比

器件的熱管理近年來(lái)愈發(fā)受到重視，在電路板小型化發(fā)展的現(xiàn)在，MCU的熱性能是重要的考量。xx32H7的TA最高僅達(dá)85°時(shí)，幾乎是沒(méi)有留下任何熱余量的，HPM系列支持環(huán)境溫度達(dá)105°，在熱性能把控上更好。

封裝上x(chóng)x32H7提供176腳和100腳BGA封裝，176腳、144腳和100腳LQFP封裝等五種選擇，HPM系列提供14x14 289BGA ，10x10 196BGA封裝。

圖5 圖形、Audio和安全功能對(duì)比

HPM系列在顯示接口、Camera、GPU、Encoder上優(yōu)勢(shì)非常明顯，在相關(guān)圖形設(shè)計(jì)上有著充分的支持和靈活度，能夠在實(shí)際開(kāi)發(fā)中給予設(shè)計(jì)人員更多功能的支持。同時(shí)，HPM系列的音頻接口更豐富，特別是HPM6700和HPM6400的I2S接口，每個(gè)I2S支持4路數(shù)據(jù)輸入和4路數(shù)據(jù)輸出，功能更為強(qiáng)大。

安全功能的支持上HPM系列和xx32H7均支持AES、HASH、TRNG，xx32H7并不支持國(guó)密算法，HPM系列提供SM2-4的國(guó)密認(rèn)證。如果是對(duì)國(guó)密認(rèn)證有相關(guān)要求的應(yīng)用，這一點(diǎn)也是HPM系列的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)目前國(guó)密的應(yīng)用場(chǎng)景偏少。

總的來(lái)看，HPM系列憑借先楫半導(dǎo)體創(chuàng)新的總線(xiàn)架構(gòu)、高效的緩存和本地存儲(chǔ)器，在運(yùn)算能力上的領(lǐng)先是毋庸置疑的。相關(guān)高性能外設(shè)的整合也并不落下風(fēng)，如支持2D圖形加速的顯示系統(tǒng)、高速USB、千兆以太網(wǎng)、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位ADC，HPM系列在高性能電機(jī)控制、數(shù)字電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、圖形圖像等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域和機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等諸多高端創(chuàng)新場(chǎng)景的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上都能給予設(shè)計(jì)人員有力的支持！