基于ARM Cortex-M3核的SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

陶友龍，趙安璞，陳海波

（東南大學(xué) 國家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心（無錫），江蘇 無錫214135）

ARM Cortex系列是ARM公司推出的基于ARMv7架構(gòu)、使用高性能的Thumb-2指令集的32位嵌入式微處理器核。主要有三種款式，分別是Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M。其中Cortex-M系列主要用于低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用。本文用于 SoC（System on Chip）設(shè)計(jì)的Cortex-M3核便屬于該系列。該處理器核憑借其高性能、低功耗、低成本和開發(fā)方便等特點(diǎn)，受到了各廠商的青睞。STMicroelectronics、NXP Semiconductors、ATMEL 等都競(jìng)相推出各自基于Cortex-M3核的SoC。由于Cortex-M3核的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)ARM核有很大區(qū)別，因此基于Cortex-M3的SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)也有與以往不同的特點(diǎn)。不同的架構(gòu)對(duì)芯片整體性能影響很大。本文使用CoreMark對(duì)實(shí)際芯片作了性能測(cè)試，其結(jié)果證明了SoC架構(gòu)對(duì)芯片性能的影響。

1 Cortex-M3核SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總線接口

處理器核對(duì)SoC架構(gòu)最大的影響是其總線接口。傳統(tǒng)的ARM處理器使用單一總線接口。如ARM7處理器采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用一條總線，從而核外部為單總線接口[1]；ARM9雖然使用了哈佛結(jié)構(gòu)，核內(nèi)部指令總線和數(shù)據(jù)總線分開，但這兩條總線共用同一存儲(chǔ)空間，且在核外共用同一總線接口[2]。使用單一總線接口的弊端是取指和取數(shù)據(jù)無法并行執(zhí)行，效率相對(duì)較低。

Cortex-M3的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Cortex-M3采用了多總線結(jié)構(gòu)，在核外有 ICode、DCode、System三個(gè)總線接口[3]。其中，ICode和DCode總線接口使得在地址空間Code區(qū)中的取指和取數(shù)據(jù)分開并行執(zhí)行，而System總線使得在地址空間SRAM區(qū)中的取指和取數(shù)據(jù)使用同一總線接口，無法并行執(zhí)行。

1.2 SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)

由Cortex-M3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，Cortex-M3不適合像傳統(tǒng)ARM處理器那樣將代碼由Flash搬移到RAM來提高效率，那樣反而可能會(huì)降低效率（由于SRAM區(qū)中的取指和取數(shù)據(jù)使用同一總線接口）。而Cortex-M3是將代碼和只讀數(shù)據(jù)放在Flash中，程序執(zhí)行時(shí)將可讀寫數(shù)據(jù)放在RAM中，從而獲得最高效率。

基于以上考慮，設(shè)計(jì)Cortex-M3核的SoC時(shí)，最好將片上Flash掛接在ICode和DCode總線上，即0x00000000～0x20000000地址空間，如圖2所示，將片上 SRAM掛接在 System總線上，即0x20000000～0x40000000地址空間。這樣從Flash中取指和取只讀數(shù)據(jù)可以分別通過ICode和DCode總線并行執(zhí)行，提高了Flash的讀取效率。而對(duì)SRAM中的數(shù)據(jù)讀寫通過System總線進(jìn)行。三條總線各自分工，使得SoC性能大大提高。

1.3 自主設(shè)計(jì)的Cortex-M3核SoC

實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)了一款基于Cortex-M3核的SoC，并采用 0.18 μm CMOS工藝流片成功。如圖 3所示，芯片的片上Flash從0x20000000開始，共256 KB；片上SRAM從0x30000000開始，共96 KB。其架構(gòu)特點(diǎn)是片上Flash和片上 SRAM均處于0x20000000～0x40000000地址空間，即掛接在System總線上，但兩者均可再映射Remap到0地址，即可掛接到ICode和DCode總線上。

默認(rèn)情況下片上SRAM可Remap到0地址，這意味著SRAM默認(rèn)擁有0x00000000和0x30000000兩個(gè)起始地址。因此，將代碼放在SRAM中時(shí)，若從0x00000000地址開始執(zhí)行，則處理器通過ICode和DCode總線來訪問SRAM；若從0x30000000地址開始執(zhí)行，則處理器通過System總線來訪問SRAM。下面將利用這特一點(diǎn)來進(jìn)行性能分析。

2 性能測(cè)試及分析

2.1 CoreMark簡介

傳統(tǒng)的嵌入式微處理器性能測(cè)試普遍采用Dhrystone程序，WEICKER R P通過統(tǒng)計(jì)程序中常用的操作及其所占比例，構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試基準(zhǔn)，并經(jīng)過多次完善，才得到了 Dhrystone程序[4]。但Dhrystone程序本身過于簡單，并不能準(zhǔn)確反映處理器運(yùn)行實(shí)際應(yīng)用程序時(shí)的性能。

EEMBC組織自成立之初就打算制定一種能夠代替Dhrystone并能更好地測(cè)量嵌入式微處理器性能的標(biāo)準(zhǔn)。但由于EEMBC的程序和認(rèn)證一般都是收費(fèi)的，所以其發(fā)布的測(cè)試程序一直沒能得到很好的普及。直到其發(fā)布了完全公開和免費(fèi)的CoreMark程序，才逐漸改變這一局面，并有取代Dhrystone的趨勢(shì)。CoreMark是一個(gè)雖代碼量小但很復(fù)雜的測(cè)試程序，通過執(zhí)行應(yīng)用程序中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來測(cè)試處理器性能，其內(nèi)容包括鏈表操作、矩陣運(yùn)算和CRC校驗(yàn)等，可以更好地反映處理器運(yùn)行實(shí)際應(yīng)用程序時(shí)的性能。本文采用CoreMark來測(cè)試SoC的性能。

2.2 自主設(shè)計(jì)SoC的性能測(cè)試

使用Keil開發(fā)環(huán)境：將CoreMark程序放在芯片的片上SRAM中，分別設(shè)置從片上SRAM的兩個(gè)起始地址執(zhí)行，其在72 MHz主頻時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 自主設(shè)計(jì)的SoC測(cè)試結(jié)果

可見，對(duì)于同一片上SRAM存儲(chǔ)器，從0x00000000地址訪問執(zhí)行比從0x30000000地址訪問執(zhí)行時(shí)的處理器性能要高出約20%。因此，使用ICode和DCode總線取指和取只讀數(shù)據(jù)比使用System總線性能要高。在今后的設(shè)計(jì)中將取消Remap，直接將片上Flash放在從0x00000000開始的空間，將片上SRAM放在從0x30000000開始的空間，實(shí)現(xiàn)取指、取只讀數(shù)據(jù)、取可讀寫數(shù)據(jù)并行執(zhí)行，從而達(dá)到最佳性能。

2.3 STM32F103性能測(cè)試

意法半導(dǎo)體的STM32系列MCU是目前市場(chǎng)上最常見的Cortex-M3核SoC之一，該系列中的STM32F103架構(gòu)如圖4所示[5]。該芯片的片上 Flash掛接在 ICode和DCode總線上，片上SRAM掛接在System總線上。其中ICode總線直通 Flash，而 DCode總線和 System總線通過一個(gè)總線矩陣分別連接到片上Flash和片上SRAM及其余外設(shè)。此外，STM32采用了一個(gè)64 bit的Flash，并使用了一個(gè)2×64 bit的緩沖器，一次可緩存 128 bit數(shù)據(jù)，從而大大降低了Flash的訪問頻率，彌補(bǔ)了Flash速度較慢的缺陷，使得取指和取只讀數(shù)據(jù)的速度大大提高。該架構(gòu)與前述分析基本一致，故可以保證最佳性能。

使用CoreMark對(duì)STM32F103進(jìn)行性能測(cè)試。將代碼分別放在片上SRAM和片上Flash中執(zhí)行，其在72 MHz主頻時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 STM32F103測(cè)試結(jié)果

可見，STM32F103在片上Flash中執(zhí)行代碼的性能超過了在片上SRAM中的性能。主要原因是在片上Flash中執(zhí)行時(shí)，三條總線合作分工，加之Flash本身位寬較大（64 bit），且外部有 2×64 bit緩沖器，因此效率很高，代碼在片上Flash中執(zhí)行的性能可以與在片上SRAM中執(zhí)行時(shí)相當(dāng)。

與實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的SoC相比，兩芯片在片上SRAM中執(zhí)行代碼的性能幾乎相同。這是因?yàn)閮烧呔皇褂肧ystem總線對(duì)SRAM進(jìn)行訪問，且兩芯片的SRAM存取速度均跟得上Cortex-M3核對(duì)其訪問的速度。但如表1所示，自主設(shè)計(jì)的SoC在片上Flash中執(zhí)行代碼的性能還不到STM32F103的一半，原因是所使用的Flash本身速度較低、位寬較低（2×16 bit），且沒有采用外部高位寬緩沖器等手段減少訪存頻率，再加上測(cè)試時(shí)Flash掛接在System總線上，因此Flash的性能成為了所設(shè)計(jì)SoC的性能瓶頸。

3 影響SoC性能因素

(1)芯片架構(gòu)：由以上分析可見，芯片架構(gòu)對(duì)SoC性能有很大的影響。要想獲得最佳性能，關(guān)鍵是要深入了解所用處理器核的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，再據(jù)其采用合適的芯片架構(gòu)。

(2)存儲(chǔ)器速度：存儲(chǔ)器速度尤其是Flash速度也是限制SoC性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。存儲(chǔ)器速度越慢，CPU需要插入的等待周期就越多，效率就越低。這一點(diǎn)在上述自主設(shè)計(jì)的SoC中就不夠好，需要在Flash部分作大的改進(jìn)。而STM32在這方面做得很好，通過加大存儲(chǔ)器位寬和增加緩沖器使Flash不會(huì)成為芯片性能的瓶頸。

(3)工藝：工藝對(duì)存儲(chǔ)器速度及芯片整體性能的影響是顯而易見的，更先進(jìn)的工藝意味著更高的性能。但提升工藝同時(shí)意味著增加流片成本，故需根據(jù)實(shí)際情況考慮。

(4)主頻：主頻越高，意味著同一段時(shí)間內(nèi)可以執(zhí)行更多的指令，即測(cè)試結(jié)果CoreMark總分提升，但CoreMark/MHz沒變。此外，若 Flash速度跟不上，則會(huì)將最高性能限制住，提升主頻不但不會(huì)提高整體性能，反而還會(huì)降低效率，即測(cè)試結(jié)果CoreMark總分不變，Core-Mark/MHz反而降低。

本文主要研究了基于ARM Cortex-M3核的SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了處理器核的總線接口對(duì)芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。采用CoreMark程序，對(duì)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的一款Cortex-M3核SoC以及意法半導(dǎo)體的STM32F103 MCU進(jìn)行了性能測(cè)試及分析，說明了芯片架構(gòu)對(duì)性能的影響。最后，對(duì)影響SoC性能的因素作了總結(jié)。對(duì)高性能的Cortex-M3核SoC設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)作用，對(duì)一般的SoC設(shè)計(jì)也有借鑒意義。

[1]ARM Ltd..ARM7TDMI Technical Reference Manual Revision：r4p1，2004.

[2]ARM Ltd..ARM920T Technical Reference Manual Rev 1，2001.

[3]ARM Ltd..Cortex-M3 Technical Reference Manual Revision：r2p1，2010.

[4]WEICKER R P.Dhrystone：A synthetic systems programming benchmark[J].Communications of the ACM，1984，27(10)：1013-1030.

[5]ST Microelectronics Ltd..STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx，STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Reference manual Rev 11，2010.