灵动微电子：国产CPU内核开启高端MCU征程

日前，灵动微电子正式对外发布了其高端的MM32F5系列MCU，该产品系列采用了Arm v8-M Mainline架构的“星辰”STAR-MC1内核，该内核是Arm本土团队研发出来的第一款面向物联网应用的轻量级实时处理器。而就在一个月前，曾先后负责过NXP和飞思卡尔处理器和MCU产品线研发的全球知名半导体MCU领域专家Geoff Lees正式加入了灵动微电子。

MM32F5系列主打高端工业控制与物联网应用市场，这也是灵动微电子在高性能产品上的第一步。灵动微电子市场总监王维表示，在全球高性能MCU市场，国产市占率一直低于2%，而在应用市场，对高性能MCU的需求，包括智能楼宇、安防和家居在内的智能民生工程增长了15倍，受到疫情影响而带来的非接触式人机交互需求增加了5倍，而以工业自动化升级改造为主的国内工业企业的需求也增长了2倍多。

目前，国产的高性能处理器的市占率已经高于国产高性能MCU，主要原因在于处理器行业的整个架构和生态相对来说完整，而MCU市场从架构到玩家都更多。国内MCU企业对高性能的产品的支持和整个布局上相对来说还不完善。另外，MCU的开发和应用环境，有非常多差异化的生态的要求，碎片化的生态加上不同算法的门槛，这些都是国产高性能MCU面临的挑战。

一边是高成长的市场需求，一边是低国产市占率，这也给本土MCU企业提供了上升空间。经过评估，灵动微电子决定采用Arm v8-M Mainline架构的“星辰”STAR-MC1内核来启动高性能MCU产品线。作为Arm中国100%自研的处理器，“星辰”STAR-MC1内核具有高达 4.02 Coremark/MHz 的能效，主打互联网设备在实时控制、数字信号处理、安全运行、极低功耗、极小面积等方面的应用需求。

虽然是100%自研，但“星辰”STAR-MC1内核依然是在Arm的M-Profile架构演进路线上开发的。据安谋科技CPU产品总监陈江杉介绍，在第一代Armv6-M架构上，开发出了Cortex M0和M0+处理器，第二代Armv7-M架构，加入了SIMD/DSP和FPU(SP)（M4和M7支持），开发出了Cortex M3、M4和M7，这也是目前高性能MCU主流的内核。而最新第三代的架构就是Arm v8-M Mainline。虽然从Cortex M0到M7，Arm已经完整的覆盖了从低到高的应用需求，但v8-M Mainline强化了低功耗和安全，把原本用于手机处理器的Cortex-A中的安全技术TrustZone下放到M系列，并且在价格上，v8会有更多可定制性和灵活性，未来，v8会进一步增加计算密度。

在性能和功耗基本保持不变的前提下，v8较v7性能提升了20%。就STAR-MC1内核而言，在安全、计算和灵活性上都进行了特别设计。安全方面，采用了TrustZone技术，并提供更全面的内存保护；计算方面，更强调性能与功耗均衡的配置，具有1.50 DMIPS/MHz和4.02 Coremark/MHz的性能；在灵活性上，“星辰”STAR-MC1内核具有v8架构下的可定制性和延展性，包括定制指令集和协处理器接口等，这给用户提供了面向需求和性价比的选择。例如，得益于M7内存子系统的下放，“星辰”STAR-MC1内核可更好地满足对实时任务的响应和更好的缓存系统的需求，增加整个系统级的数据吞吐率。

自2018年立项，至今，Arm中国研发团队规模已接近100，STAR-MC1内核已经被应用于可穿戴、汽车、高速存储、北斗、网络等芯片，以及手机传感控制，在研项目超过了60个，截止2021年底，出货量已超过一亿。陈江杉特别强调，因为该内核是由Arm中国100%自研的处理器——Arm中国已通过内部评审，其涉美IP不足10%——因此不用担心后续供应链安全问题。

这些在研项目就包括了灵动微电子的MM32F5。王维表示，之所以选择STAR-MC1，主要是其性能较Cortex M3\M4有很大提升，4.02 Coremark/MHz，与M3/M4 相比，性能提升了20% 。另外，在支持多并发特性上，拥有L1 I/D Cache，和独立的TCM 接口。当然，Arm成熟的生态体系也很重要——它支持KEIL、IAR、GCC、 J-LINK、ULINK2等编译工具。还有一个比较重要的是自主可控，除了国产化的“星辰”STAR-MC1内核，MM32F5从晶圆到封测都是全国产的合作伙伴，可持续性发展得到了充分的保障。

作为灵动微电子高端MCU系列的开局，MM32F5在内核性能和资源配置上都较之前产品做了很大提升。内核如前文所述，搭载了“星辰”STAR-MC1内核，集成了DSP和FPU，性能达到4.02 Coremark/MHz；在通信接口上，MM32F5配置了以太网、USB 和双FlexCAN 接口，以及多达14组UART、SPI 和I2C；在存储上，配置了256KB 到2MB 双分区Flash，192KB 多分区RAM，4KB L1 I/D Cache，并且支持QSPI和FSMC外扩存储；MM32F5内置高性能模拟和定时器，包括2组3MSPS 12-bit SAR ADC，支持256 倍硬件过采样，以及2组高级定时器，支持8路互补PWM输出。

除上述性能，MM32F5独创了一个外设互联系统MindSwitch，可以支持任意外设和GPIO间的同步处理和逻辑运算内置多路组合逻辑处理单元CLU，可以在不需要CPU干预的情况下完成更多的任务。

在MM32F5推出之前，灵动微电子在去年11月开始，几乎每月推出一款基于M3或M4内核的产品，包括由于8英寸产能不足而推出的国内首款12英寸产线生产的MCU F0140，针对工业和汽车应用，升级了CAN接口，首款国产双电机M0芯片SPIN0280，以期完善产品线的市场覆盖率。

作为系列，MM32F5规划了三个型号：MM32F52、MM32F53和MM32F55，主频分别为120MHz、150MHz和200MHz。王维表示，当“星辰”STAR-MC1内核主频达到200MHz时，相当于250-300MHz M3或M4内核MCU，目前在通用MCU市场上，能达到这一水平的M3或M4内核MCU还很少，而这一性能可以支持到例如人脸/物体识别、视觉和语音处理的应用。