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ARM dévoile le Cortex-M7, STMicroelectronics est en première ligne avec son STM32 F7

Julien Bergounhoux

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ARM dévoile le Cortex-M7, STMicroelectronics est en première ligne avec son STM32 F7

© ARM

Le concepteur de microarchitectures ARM vient d'annoncer la sortie de son nouveau processeur, le Cortex-M7. STMicroelectronics, l'un de ses principaux partenaires, se positionne déjà sur la performance des microcontrôleurs utilisant ce cœur avec le STM32 F7, qu'il compte sortir au deuxième trimestre 2015. Leur objectif commun ? Repousser les limites des systèmes embarqués en matière de traitement de données pour permettre l'avènement de l'Internet des Objets tout en conservant une simplicité maximale pour les fabricants d'équipements électroniques.

L'entreprise ARM, spécialiste de la conception de microarchitectures électroniques, vient de dévoiler son nouveau processeur, le Cortex-M7. Il prend la suite logique des très populaires Cortex-M3 et M4, mais plutôt qu'un remplacement, il se positionne comme un complément aux produits existants, représentant un nouveau plafond à très haute performance pour cette gamme de produits. Avec une finesse de gravure équivalente de 90 nm, le M7 est capable d'atteindre un score de 1 000 CoreMark (le benchmark de référence pour les systèmes embarqués) en étant cadencé à 200 Mhz, là où le M4 n'atteint que 608 (à une fréquence inférieure, le M4 ne pouvant dépasser 180 MHz).

Pour obtenir ces performances, l'entreprise est repartie de zéro pour créer un pipeline superscalaire (qui exécute plusieurs instructions en parallèle) à six étages. Un travail de développement qui a pris trois ans au total. Le M7 gère également le SIMD (Single Instruction, Multiple Data), les instructions MAC (Multiply And Accumulate) sur un seul cycle, la prédiction de branchement (BTAC), le calcul de virgule flottante à "double précision" (binary64), et possède des performances de traitement numérique du signal (DSP) optimisées par rapport à celles introduites sur le M4. En plus des traditionnels bus AHB, il intègre un bus AXI 64 bits (qui lui permet de charger deux instructions en même temps) avec une mémoire cache optionnelle (jusqu'à 64 Ko) pour les instructions et les données. Le M7 intègre de plus de la mémoire directement sur le processeur, et les interfaces des mémoires internes et externes sont optimisées pour communiquer entre elles en temps réel.

Le résultat de ce travail est une performance impressionnante de 5 CoreMark par MHz (et de 2,14 DMIPS/MHz), une première pour un processeur destiné aux microcontrôleurs. De plus, en réduisant la taille de la puce (passage à une finesse de gravure de 40 nm puis 28 nm) et en augmentant sa fréquence (400 puis 800 MHz), ARM compte éventuellement doubler puis quadrupler ses performances d'ici quelques années (un représentant a estimé l'arrivée des M7 gravés en 28 nm d'ici à trois ans).

STMicroelectronics en première ligne

L'entreprise franco-italienne STMicroelectronics a été, au même titre que les américains Atmel et Freescale, l'un des "leading partners" d'ARM pour la mise au point du Cortex-M7. En d'autres termes, le leader européen des semi-conducteurs a activement participé à la conception du processeur. Ce n'est pas sans raison : ST a connu beaucoup de succès avec sa famille de produits STM32 basés sur les générations précédentes de Cortex-M, notamment le M3, et la division microcontrôleurs standards représente à elle seule près de 10 % du chiffre d'affaires global du groupe.

Le STM32 F4 était déjà le microcontrôleur le plus performant basé sur l'architecture ARM Cortex-M, et la société est donc d'autant plus déterminée à conserver cette supériorité que le Cortex-M7 a été spécifiquement conçu pour des applications requérant plus de puissance. Le nouveau STM32 F7 reprend évidemment les principales caractéristiques du Cortex-M7 citées plus haut, les scores mentionnés par ARM étant obtenus par ce produit spécifique. L'approche de STMicroelectronics pour l'intégration du M7 a été d'agencer et d'interconnecter ses caractéristiques de la manière la plus optimale et intelligente possible. Elle y a par exemple intégré son accélérateur adaptatif en temps réel (ART) pour la mémoire flash embarquée (de 512 Ko ou 1 Mo, cadencé à 30 MHz), couplé à 4 Ko de mémoire cache L1 pour les instructions et les données à partir des mémoires internes et externes.

Le flux des données est géré par une matrice AXI et un bus multi-AHB avec deux contrôleurs DMA (Direct Memory Access) polyvalents et des contrôleurs DMA dédiés aux interfaces Ethernet, USB OTG HS (Universal Serial Bus On-the-Go High Speed), et LCD-TFT (affichage). Une fonction d'accélération graphique matérielle est aussi fournie par l'accélérateur Chrom-ART. Le STM32 F7 possède par ailleurs 320 Ko de SRAM : 240 Ko + 16 Ko sur la matrice de bus pour les données partagées et 64 Ko de RAM TCM (Tightly-Coupled Memory) pour les données critiques en temps réel. Il dispose également de 16 Ko de RAM TCM pour les routines critiques et de 4 Ko de mémoire SRAM de sauvegarde pour la conservation des données lorsqu'il passe en mode basse consommation.

Enfin, le F7 possède un domaine d'horloge indépendant qui permet de modifier la fréquence d'horloge sans impacter le débit de communication, un contrôleur de mémoire externe (SRAM, PSRAM, SDRAM/LPSDR, SDRAM, et NOR/NAND) flexible avec un bus de données jusqu'à 32 bits, et une interface Dual/Quad SPI.

Stratégie et applications

L'arrivée de ces nouveaux microcontrôleurs répond directement à un besoin en puissance des clients qui les intègre dans des produits pour des domaines aussi variés que l'industrie, l'électroménager, l'automobile, le médical, l'électronique grand public, etc. Il se pose comme une alternative à la transition vers l'utilisation de microprocesseurs (typiquement basés sur des Cortex-A), plus puissants, mais nécessitant un système d'exploitation plus complexe à gérer au lieu d'un système d'exploitation temps réel (RTOS). Le but étant d'éviter d'avoir à faire tourner une cafetière sous Linux juste pour pouvoir lui fournir une interface visuelle moderne.

STMicroelectronics a d'ailleurs fait tout son possible pour faciliter le passage du STM32 F4 au F7. La consommation énergétique du F7 est comparable à celle de son prédécesseur (7 CoreMark/mW en mode Run, 120 μA typiques en mode STOP pour la basse consommation, 1,7 μA typique en mode veille et 0,1 μA typique en mode VBAT). La puce est également compatible physiquement car elle dispose du même nombre de broches. Et du code conçu pour le F4 tournera sur le F7 sans problème. Industrie & Technologies a d'ailleurs pu assister à une comparaison des performances des deux modèles, montés sur des cartes identiques, faisant tourner pratiquement le même code, sans optimisation. Nous pouvons confirmer que l'écart de puissance est conforme aux scores CoreMark, le F7 se montrant beaucoup plus rapide (pratiquement deux fois plus).

La stratégie de STMicroelectronics pour le Cortex-M7 est simple : être le premier sur le marché, présenter le produit le plus performant, et éliminer au maximum le besoin d'optimisation pour faciliter son implémentation par ses clients. Des échantillons sont déjà disponibles pour ses principaux partenaires, et la production est prévue pour le début du deuxième trimestre 2015. Quant au prix, STMicroelectronics compte rester "dans la continuité" du reste de sa gamme. C'est notamment pour cette raison que le F7 a vu sa mémoire flash diminuer et sa RAM augmenter, pour reste le plus compétitif possible. L'entreprise n'oublie par ailleurs pas le mouvement "maker", et offrira à terme le STM32 F7 sur une carte Nucleo dans un de ses kits de découverte.

En termes d'applications, en plus du contrôle industriel ou de l'automobile, ARM et ses partenaires visent évidemment le marché prometteur de l'Internet des objets, et notamment les appareils nécessitant une puissance de calcul plus conséquente, comme les hubs de capteurs domotiques mais aussi les petits drones quadricoptères ou même la wearable tech (smartwatch...). Gestion de l'affichage, du contrôle tactile, de la connectivité, de la position GPS, reconnaissance vocale et gestion audio (grâce à ses capacités doublées de traitement du signal par rapport au M4)... Le M7 repousse la limite des usages des microcontrôleurs, et compte sur sa simplicité d'implémentation (au travers notamment de sa plate-forme mbed) et son vaste support par les fournisseurs d'outils de développements (y compris désormais MatLab, mais aussi Java et µC) en plus de ses propres outils (Keil MDK, CMSIS) pour accélérer son adoption par les développeurs. STMicroelectronics travaille par exemple déjà avec Vestec sur une solution de reconnaissance vocale basée sur son architecture F7 et semble convaincu de son futur succès.

Le premier modèle du STM32 F7, le 756NG, sera présenté sur le stand de STMicroelectronics lors du salon ARM TechCon qui aura lieu à Santa Clara (Etats-Unis) du 1er au 3 octobre prochain.

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