STM32F7 von STMicroelectronics ARMs Cortex-M7 - der Schlüssel zu sicherheits­kritischen Anwendungen?

Peripherie und Energiesparmodi vom STM32429

An Peripheriefunktionen hat die F7-Familie die Analog-Elemente vom F429 geerbt; bei den Digital-Elementen gibt es dagegen z.T. Weiterentwicklungen (Bild 6): Kamera-Schnittstelle, Crypto/Hash-Prozessor (dieser dient der Hardware-Beschleunigung für AES 128, 192, 256, Triple DES und HASH (MD5, SHA-1)), Ethernet MAC 10/100 mit Unterstützung für IEEE 1588 v2, zwei USB-OTG -Ports (davon einer mit HS-Support), zwei eigene Audio-PLL und drei vollduplexfähige I2S-Schnittstellen, bis zu 19 Kommunikations-Schnittstellen (darunter acht USARTs mit bis zu 10,5 Mbit/s, vier SPI-Schnittstellen mit bis zu 42 Mbit/s sowie vier I2C‑, zwei CAN‑ und eine SDIO-Schnittstelle), zwei 12-bit-D/A-
Wandler, drei 12-bit-A/D-Wandler mit einer Abtastrate von 2,4 MS/s (bzw.
7,2 MS/s im Interleaved Mode) sowie bis zu 18 Timer (16 bit und 32 bit mit bis 200 MHz und ein Low-Power Timer).
Unstrittig zeichnen sich die ST-F7-Controller aber auch durch eine besonders gute Energieeffizienz aus. So wird im aktiven Modus bei 1,8 V und Codeausführung aus dem Flash-Speicher mit aktivem ART und abgeschalteter Peripherie ein Strom von 400 µA/MHz, sprich bei 180 MHz 72 mA, gezogen. Dieser Wert liegt absolut gesehen natürlich über dem F429 mit seinem viel kleineren Cortex-M4 und 244 µA/MHz, die Energieeffizienz ist jedoch sogar etwas besser: 6,9 CoreMark/mW des F7 stehen den 6,8 CoreMark/MHz des F429 gegenüber. Außerdem hat ST die schon bekannten Energiesparmodi implementiert, welche exakt dieselben Zahlen liefern wie beim F429. Bei laufender Echtzeituhr mit aktivem Backup-SRAM wird weniger als 1 µA Strom gezogen, im Standby-Modus mit einer Aufwachzeit von 318 µs 3,1 bzw. 2,2 µA (mit/ohne aktiver Echtzeituhr und Low-Speed-Oszillator) und im Stop-Modus 120 bzw. 290 µA (bei Aufwachzeiten von 105 bzw. 22 µs, in erstem Fall wird der interne Spannungsregler zusätzlich in einen Sparmodus gesetzt). Bleibt noch der Sleep-Modus, aus dem innerhalb von 6 Taktzyklen in den aktiven Modus gewechselt werden kann, in welchem ST ebenfalls dieselben Werte des F429 erwartet, also bei 180 MHz rund 21 mA Stromaufnahme. Alle Werte der Energiesparmodi wurden bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V und – wie auch im aktiven Modus – einer Temperatur von 25 °C angegeben. Bei 105 °C sieht die Welt natürlich ganz anders aus; von diesem aus halbleiterphysikalischen Gründen unabwendbaren Phänomen ist jedoch auch STs Konkurrenz betroffen.
Insgesamt wird es zwei Varianten der F7-Familie (STM32F7746 und STM32F7756) geben, die sich in der jeweiligen Hardware-Ausstattung hinsichtlich des Krypto-/Hash-Prozessors unterscheiden: Der STM32F7756 hat ihn, der STM32F7746 hat ihn nicht. Beide Varianten haben aber einen Zufallsgenerator, damit Verschlüsselungs-Software-Bibliotheken genutzt werden können. Des Weiteren gibt Bauteile für –40 °C bis +85 °C und –40°C bis +105 °C, was angesichts der Zielmärkte sinnvoll ist: Diese unterscheiden sich nicht wesentlich von denen des bisherigen High-End-Produktes STM32F4. Es gibt Gehäuse vom kleinen WLCSP143 (< 4.6 × 5.6 mm2) für Wearables oder indus­trielle und medizinische Sensoren über LQFP100, -144, -176, -208 bis hin zum BGA216 (Pitch 0,8 mm) für Fabrikautomatisierung und PLC, Grafik- und Gateway-Controller für HMIs z.B. bei Industriesteuerungs-Panels oder Alarmsysteme.
Mit dem STM32F7 hat sich Cortex-M-Pioneer STMicroelectronics (der von uns geschätzte Marktanteil bei Cortex-M-Controllern weltweit liegt bei 50 %) erneut einen Vorsprung vor der Konkurrenz geschaffen – lassen wir uns überraschen, wann auch Freescale, NXP, Infineon & Co. eine Cortex-M7-MCU liefern können bzw. wollen. Muster des STM32F7 für ausgewählte Kunden sind bereits ausgeliefert, Anfang Q2 2015 (also vermutlich im März) werden die Chips in die Massenproduktion gehen. Für die Zukunft hat ST weitere Derivate auf einem neuen geschrumpften Herstellungsprozess angekündigt, die 2000 CoereMark (und damit zwangsläufig die von ARM versprochenen 400 MHz) erreichen sollen.
Mit dem Cortex-M7 bleibt ARM seiner Strategie treu, immer genau so viel zu liefern, wie der Markt gerade benötigt – man will ja auch schließlich noch Spielraum für einen Cortex-M8 und M9 behalten. Gegenüber dem M3/M4 ist der M7 allerdings – was nach 4,5 Jahren wenig verwunderlich ist – ein Quantensprung, der ARMs Lizenznehmer noch erfolgreicher machen wird, als sie heute schon mit ihren Controllerfamilien STM32, Kinetis, LPC, XMC, SAM oder TM4C12 sind. Sie können jetzt auch Märkte mit ARM-Controllern adressieren, die vorher verschlossen, nur durch proprietäre MCU-Architekturen oder Cortex-R-basierte Chips erreichbar waren.
Die Kunden wird es freuen – die Skalierbarkeit steigt, man kann sich auf ein großes Ökosystem mit vielen Dritt­anbietern aus der OS- und Software-Welt stützen und damit die Entwicklungszeiten und -kosten drücken. Am meisten wird sich jedoch ARMs CEO Simon Segars freuen, denn schon jetzt ist abzusehen, dass sich auch der Cortex-M7 wie seine Vorgänger zur Gelddruckmaschine entwickeln wird.