M7內核MCU性能增強，對比HPM系列如何？

電子工程師在進行產品設計時除了規劃產品的功能之外，其中一項很重要的工作就是進行MCU的選型。選擇合適的MCU對整個產品設計至關重要，如何充分利用MCU的功能，并盡可能節省設計成本和資源是產品設計的關鍵。

目前MCU產品市場里，200MHz算力開源指令集以下的MCU產品占絕大多數，200MHz到1.5GHz范圍內的中端、高端MCU產品寥寥，基本由國外大廠壟斷。而工業自動化和智能汽車領域等熱門領域持續的應用升級，以及隨著復雜運算、多媒體技術、邊緣AI等高級創新應用的不斷發展，MCU需要兼顧開源指令集算力與拓展性的需求愈發明顯，市場對高性能MCU的需求快速增長。

為了兼顧開源指令集顧算力與拓展性，國內不少采用ARM Cortex-M系列內核的MCU廠商的產品布局都有往M7內核或者異構架構發展的趨勢，近期市場上就有基于ARM Cortex-M7內核的MCU新品發布。與此同時，基于RISC-V開源指令集架構的MCU也在快速發展，先楫半導體HPM6000系列MCU憑借先創新總線架構與一系列高性能外設，在高開源指令集算力和靈活拓展性上更勝一籌。

這里挑選先楫半導體雙核HPM6750和單核HPM6400兩個系列，與近期發布的ARM Cortex-M7內核XX32H7系列做詳細的對比。

圖1 內核與存儲對比

主頻的差別很明顯，HPM6750和HPM6400更高的算力在高數據吞吐量高實時性的需求里優勢更大，得益于RISC-V本身的簡潔性和模塊化設計，CPU能運行在更高的頻率，帶來更高的性能。先楫的RISC-V MCU從跑分來看比現有市面上所有M7核MCU產品的跑分都高，即使拋開主頻不談，以CoreMark/MHz來比較，仍比M7核產品高出10%以上性能，這一點在上圖也能明顯看到，這意味著代碼執行效率更高。

HPM系列在片上內存、高速緩存和同步動態隨機存儲上提供了更大的容量，這能夠讓MCU支持更加復雜的軟件系統，代碼執行效率也會更高。

圖2 定時器、伺服、運算對比

在Timer配置上，Advanced Timer用于工業控制，多用在電機驅動、電源應用等場合，HPM6750和HPM6400均采用4x24Bit配置，可支持四電機控制，在相關應用場景性能更強。General Timer的配置上XX32H7采用了12x16Bit,2x32Bit的配置，但是定時器數目沒有HPM6750和HPM6400多（HPM定時器4個一組）。

在伺服增強上，DFSDM搭配外部的Σ-Δ器件使用進行測量、馬達控制等應用。XX32H7配置了8通道的DFSDM，HPM6750和HPM6400沒有配備類似模塊，后續HPM6200系列已支持Σ-Δ濾波器。XX32H7包含脈沖分頻輸出，便于實現脈沖型伺服電機應用，HPM6700和HPM6400沒有集成專用外設，但可以通過軟件搭配PWM外設實現類似功能。另外，筆者了解到，在上海先楫即將推出的HPM5300系列產品上，實現了靈活的運動控制系統，包含了包括增量式和絕對值在內的各類編碼器輸入或輸出，實現更靈活，功能更強大。

針對電機控制和電源這些應用，通過TMU硬件加速可以大大提高控制系統的性能，XX32H7支持TMU，HPM6750和HPM6400的CPU運行效率和TI的C2000+TMU處在同一水平，所以不需要額外增加TMU等硬件模塊來加速運算。

圖3 模擬與接口對比

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

接口豐富性上，三款芯片的接口外設都稱得上豐富，HPM6750和HPM6400中集成了17個串口、4個CAN FD、2個高速USB、2個千兆以太網。千兆以太網在MCU上是不小的亮點，以后千兆以太網的應用會越來越多，這一點上HPM優勢突出。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，由于CAN總線的應用場景越來越豐富，這也是先楫半導體產品的一個重要優勢。

圖4 熱和封裝對比

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

封裝上xx32H7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和安全功能對比

HPM系列在顯示接口、Camera、GPU、Encoder上優勢非常明顯，在相關圖形設計上有著充分的支持和靈活度，能夠在實際開發中給予設計人員更多功能的支持。同時，HPM系列的音頻接口更豐富，特別是HPM6700和HPM6400的I2S接口，每個I2S支持4路數據輸入和4路數據輸出，功能更為強大。

安全功能的支持上HPM系列和xx32H7均支持AES、HASH、TRNG，xx32H7并不支持國密算法，HPM系列提供SM2-4的國密認證。如果是對國密認證有相關要求的應用，這一點也是HPM系列的優勢，不過目前國密的應用場景偏少。

總的來看，HPM系列憑借先楫半導體創新的總線架構、高效的緩存和本地存儲器，在運算能力上的領先是毋庸置疑的。相關高性能外設的整合也并不落下風，如支持2D圖形加速的顯示系統、高速USB、千兆以太網、CAN FD等通訊接口，高速12位和高精度16位ADC，HPM系列在高性能電機控制、數字電源系統、儲能系統、圖形圖像等傳統應用領域和機器學習和人工智能等諸多高端創新場景的產品設計上都能給予設計人員有力的支持！