STM32MP157A-DK1测评 - 2、MPU的功能 - 测评中心专版 - 电子工程世界-论坛

freebsder 发表于 2020-3-30 22:12

STM32MP157A-DK1测评 - 2、MPU的功能

<div class='showpostmsg'> 本帖最后由 freebsder 于 2020-3-30 22:43 编辑

正如我在<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1115779-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">上一篇测评</a>里的个人观点：STM32MP157A SoC毕竟属于ST的第一代MPU SoC产品，它的功能在不考虑实际应用和单价成本，只观察配置的情况下，与已经推出多代Cortex-A系列产品的友商产品相比是偏弱的。

把MP1 SoC上的主要功能归类出来：内核、总线、易失性存储、持久化存储、时钟、计时器、电源管理、高速通信、低速通信、网络通信、多媒体、模拟信号处理、可视化、安全和IO输入输出，还有个Cortex M4核的协处理器。

 

 

所有的外设以三种方式环境，第一种是Cortex-A7安全环境，第二种是Cortex-A7非安全环境主要运行Linux，第三种是Cortex-M4。详见<a href="https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/STM32MP15_peripherals_overview" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">STM32MP15 peripherals overview</a>。

 

 



 

 

 

 



 

 

  STM32MP1的一个特色是一部分外设可以在A7和M4之间共享使用，另一部分外设在A7和M4之间独占使用，剩下的一些外设只在A7和M4内核中才能使用。上图图例方块中的斜线是共享，竖线是独占，全色是独享。比如ETH外设，是A7的独享外设。FDCAN是A7和M4独占外设，分配之后便由A7或M4独占。GPIOA-K是A7和M4共享的外设。

      

 

 

<ol>
<li style="text-align:justify">内核</li>
</ol>

 

 

STM32MP157A是Armv7-A内核体系结构的Cortex-A7 MPCore处理器系列产品，相比Cortex-M系列最显著的区别在A7具备MMU内存管理单元。虽然A7数字上比Cortex-A8小，但却比A8更先进，A7属于Armv7-A体系结构中的中低端产品，A8属于ARM公司已经淘汰的系列。

 

 

之所以说A7属于中低端产品是因为它在Armv7-A体系结构中配置的是顺序执行的部分超标量流水线（高端产品配置乱序全量超标量流水线）。虽然处理器在指令处理性能上受到一定局限，但是成本、功耗和可测性可以得到更好的控制。

 

 

Armv7-A是32位宽度的处理器结构，典型地址空间为4GB。A7在MMU功能之上加配扩展物理地址单元，用来访问更大的空间。

 

 

A7通过Armv7-A的扩展加强了硬件虚拟化（hardware virtualization）的能力，这是A7显著区别于同系列其他低端产品的特点之一。基于硬件虚拟化能力，理论上说所有虚拟容器（如docker，vmware，virtualbox等）和虚拟机（Java，Python）都可以加速性能，加强安全。

 

 

STM32MP1中两颗A7内核每一颗单独享有32KB的L1数据cache和32KB的L1指令cache，两颗处理器共享256K的L2缓存。至于2路组的32K的数据和指令缓存，256K的L2的多少路组cache，cache的轮换策略等十分具体的体系结构指标可以参考ARM提供的<a href="https://developer.arm.com/docs/ddi0464/f" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Cortex-A7 MPCore Technical Reference Manual</a>。此外要读明白Linux中的MMU内存变换管理，也应该仔细读这篇Manual。

 

 

STM32MP1有一个<a href="https://developer.arm.com/architectures/instruction-sets/floating-point" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">VFPv4</a>的浮点处理单元，还有一个<a href="https://developer.arm.com/architectures/instruction-sets/simd-isas/neon" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">NEON协处理器</a>，NEON自带单精度浮点处理能力，可以提供DSP和SIMD的数据处理功能。DSP大家很熟悉，NEON是一个单指令多数据处理单元（SIMD），顾名思义一条指令处理多个数据，这也是并行手段的一种。NEON可以极大的提高数据处理和机器学习等应用的速度。使用NEON库，编译器优化等手段使用NEON协处理器。GCC可以用-mcpu， -mfpu，和 -mfloat-abi参数控制NEON代码的开关。

 

 

网上摘一段代码试试：

<div aria-label="代码段小部件" contenteditable="false" role="region" tabindex="-1">
<pre data-widget="codesnippet">
<code class="hljs language-cpp">#include <arm_neon.h>

void intrinsics (uint32_t * x, uint32_t * y, uint32_t * z)
{
  int i;
  uint32x4_t x4, y4;            // These 128 bit registers will contain 4 values from the x array and 4 values from the y array
  uint32x4_t z4;                // This 128 bit register will contain the 4 results from the add intrinsic

  uint32_t *ptra = x;           // pointer to the x array data
  uint32_t *ptrb = y;           // pointer to the y array data
  uint32_t *ptrz = z;           // pointer to the z array data

  for (i = 0; i < 200 / 4; i++)
    {

      x4 = vld1q_u32 (ptra);    // intrinsic to load x4 with 4 values from x
      y4 = vld1q_u32 (ptrb);    // intrinsic to load y4
      z4 = vaddq_u32 (x4, y4);  // intrinsic to add z4=x4+y4
      vst1q_u32 (ptrz, z4);     // store the 4 results to z
      ptra += 4;                // increment pointers
      ptrb += 4;
      ptrz += 4;
    }
}</code></pre>
<img src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==" /><img height="15" role="presentation" src="data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==" title="点击并拖拽以移动" width="15" /></div>

 

 

 

 

 

 



 

 

  随手一编，找到一个openSTLinux的问题，看起来ST SDK里面提供的交叉编译器是不完整的。OMG，<stdint.h>以std开头，是一个标准头文件，这个文件的缺失玩笑开得有点大。虽然ST SDK的编译器可以编译Linux，编译Uboot等，但是不能完整编译用户层应用，这是个BUG。

 

 

换一个社区版的吧。我在Hyper-V里装的debian10，虽然目前不知道怎么用Host机器的U盘，但是整个Linux环境是齐全的。Debian挺好的，直接用apt install gcc-arm-linux-gnueabihf就可以安装交叉编译器。

 

 

  把neon.o dump出来看汇编，可以看到vld1.32等neon指令。

 

 



 

 

另外这颗Cortex-A7 MP的STM32MP157A还有安全管理单元<a href="https://developer.arm.com/ip-products/security-ip/trustzone" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">TrustZone</a>，集成中断管理控制器（<a href="https://developer.arm.com/ip-products/system-ip/system-controllers/interrupt-controllers" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">GIC v2</a>，用于MultiProcessor的中断控制），<a href="https://developer.arm.com/docs/100095/0002/introduction/compliance/advanced-microcontroller-bus-architecture-amba" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">AMBA4 AXI总线</a>等A7的组成部分，有兴趣的朋友可以找资料看看。

       

 

 

<ol start="2">
<li style="text-align:justify">持久化存储。</li>
</ol>

 

 

持久化存储包括EMMC，NAND，NOR，QUADSPI等部件。STM32MP157A-DK1中只提供了MicroSD卡插槽，以SD卡作为存储介质存放bootloader，bootfs，rootfs等操作系统组件。

 

 

openSTLinux作为一个完整的Linux发行版，可以使用<a href="https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/MMC_overview" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Linux MMC 框架</a>。配置内核时选择：

 

 



 

 

不管是fdisk，还是dd，还是mount，把它当作块设备操作即可。

 

 



 

 

由于一个很重要的原因，我已经重做了STM32MP157A-DK1的文件系统，所以Bash提示符不是OpenSTLinux默认的提示符，SD卡分区也只有5个分区。这个事情等下一篇测评再说。   

 

<ol start="3">
<li style="text-align:justify">易失性存储</li>
</ol>

易失性存储主要指SRAM。SRAM包括通过数据总线访问的DDR和片内内部SRAM两部分。

 

 

DDR主要由美光的低电压DDR3L颗粒MT41K256M16提供，在<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1115779-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">上一篇测评</a>中有所表述。

 

 

SRAM有A7专用的，也有M4专用的。地址空间0x2FFC0000开始的256K SRAM是A7专用的SYSRAM，其余的SRAM1，2，4和备份RAM都由M4独享，SRAM3由A7和M4共享，作为共享存储介质。这里的说法与本贴最上面的外设共享示意图有冲突。

 

 



 

 

根据手册P122的说法应该是wiki上的图示有误。

 

 

系统引导时内部的BootROM会使用SYSRAM存放读取在SD（或NAND）等块设备的数据块放在这里作为bootstrap的第一步过程。这么大的SRAM也可以作为一个独立的RTOS运行在其中。系统启动之后，应用层可以通过GCC链接脚本制定地址的方式使用这256K的高速存储空间。当然，这块地址可能被MMU映射到其他地址，这点还需要进一步确认。

 

<ol start="4">
<li style="text-align:justify">时钟、计时器、电源管理。</li>
</ol>

时钟、计时器和电源统一由Linux管理。这里面比较麻烦的是Device Tree中关于时钟树的构建。构建在Linux的管理之后，PWM等计时器的操作都由Linux内核通过sysfs暴露到用户空间。Linux也提供内核API对计时器进行PWM操作。

 

 

 

 

<ol start="5"> 
<li style="text-align:justify">高速通信、低速通信、网络通信。</li>
</ol>

STM32MP157A-DK1板载的高速通信主要有USB。网络通信配置的是Ethernet。低速通信有I2C，U(S)ART和SPI。

 

 

USB作为一个完整的Linux驱动子系统，一切的一切按照标准Linux的方式操作即可，有很多资料试图讲解Linux下面的USB子系统，最终用户无需在处理USB硬件相关的事物，感兴趣的朋友可以自行查找。

 

 

网络Ethernet同样是这种情况。最终用户无需再关注具体的网络驱动，所有的网络行为都已经通过Linux抽象成Socket（Tcp/Ip）。这部分的说明最经典的是已故作家Richard Stevens写的《UNIX Network Programming》套书。感兴趣的朋友可以自行查找。

 

 

U(S)ART已经被Linux抽象成控制台TTY。内核通过ST-Link的VCOM输出的便是console=ttySTM0，115200的效果。通过struct termios{}结构和相关应用层API设置波特率，停止位等参数后，以普通文件open,read,write的方式操作即可。

 

 

 

 

<ol start="6"> 
<li style="text-align:justify">多媒体、可视化、M4协处理器和安全。</li>
</ol>

这部分主要是LCD和HDMI输出，用于图形界面的显示和视频播放当处理。一般不需要最终用户参与。

 

 

M4协处理器在后面几篇测评再来看其与A7的交互。

 

 

安全不熟悉，没有深入过。

 

 

 

 

<ol start="7"> 
<li style="text-align:justify">GPIO，SPI，I2C</li>
</ol>

以上可以看出，STM32MP157A SoC的几乎所有外设的物理机制都不需要最终用户过多参与。这一点和基于MCU的单片机开发完全不同。简单说，MP1的开发就是Linux用户空间应用的开发，没有说内核开发是因为ST已经为MP1这颗SoC提供了很完备的Linux驱动。

 

 

 

 

那么这里就简单的用GPIO，SPI，I2C三个比较依赖应用层定义的外设做一些简单的实验。

 

 

GPIO比较简单，本篇测评太长了，SPI和I2C留待下一篇。

 

 

 

 

 

STM32MP157A-DK1开发板上有现成的LED可以用。

 

 

参考ST wiki中关于<a href="https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/How_to_control_a_GPIO_in_userspace" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">GPIO的说明</a>，安装gpiod和libgpiod2。OpenSTLinux发行版默认已经安装。

 

 



 

 

用gpiod包含的工具，很容易的关闭和打开板载绿色LED。

 

 



 

 

  直接抄<a href="https://wiki.st.com/stm32mpu/wiki/How_to_control_a_GPIO_in_userspace" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">GPIO说明</a>中的C代码例子。直接在开发板上编译，编译这个文件大约1.5秒，确实不快。

 

 

 

 

 

 



 

 



 

 

 

 



 

 

  绿灯闪烁，哎哟不错哟。

 

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lcofjp 发表于 2020-3-31 10:26

free蜀黍是真用心了，给个好评，有空慢慢品

bigbat 发表于 2020-3-31 11:21

兄弟的测评做的不错，希望后面能讲讲“裸跑”A7核程序和OpenMP的东西。最要是想编写SPI接口的驱动程序。

freebsder 发表于 2020-3-31 13:20

lcofjp 发表于 2020-3-31 10:26
free蜀黍是真用心了，给个好评，有空慢慢品

队长，大板玩起来。吃灰不如让我白嫖。。。

freebsder 发表于 2020-3-31 13:43

bigbat 发表于 2020-3-31 11:21
兄弟的测评做的不错，希望后面能讲讲“裸跑”A7核程序和OpenMP的东西。最要是想编写SPI接口的驱 ...

兄弟，裸跑跑起来并不复杂，代码就是普通main函数程序，硬件部分最大的区别就是开不开MMU，寄存器操作都是一样的。bootloader就是一段跑在裸机的程序。包括执行之初的uboot(到后面uboot要接管mmu)，还有ST提供的otpee和那个什么trust os的boot。然后就是sd卡镜像要把你自己的程序包一个st的magic头，这个wiki上有，但是手册上我没注意到，应该有工具生成。st自己的bootrom要根据这个头验证是不是合法镜像，然后从头部信息里读sd数据到sysram，上面帖子也说了这点，所以裸跑的代码应该基于sysram链接而不能基于传统stm32 mcu的flash。进了main之后一切都和stm32 mcu的搞法是一样的。

不过真没必要上了A7还按M4的方法搞，他们可以看做两个不同的东西。就像C++可以搞成C但是他们是不同的东西。最大的繁荣是软件部分，也就是A7的Linux和安卓生态。虽然硬件包括intel还是arm的硬件都很大，但是不繁荣，他们的硬件很重要很重要，但并不是核心。就像英伟达的gpu直接推动了深度学习，但深度学习的核心仍然是tenserflow和相关软件算法。

freebsder 发表于 2020-3-31 14:14

bigbat 发表于 2020-3-31 11:21
兄弟的测评做的不错，希望后面能讲讲“裸跑”A7核程序和OpenMP的东西。最要是想编写SPI接口的驱 ...

spi的用户层操作参考 linux-4.19.94/tools/spi，设置好cross compile直接make就行了，我本来打算随后的spi实验就抄这个来着。。。内核层的spi操作在linux-4.19.94/Documentation/spi下面有说明。

bigbat 发表于 2020-3-31 14:21

freebsder 发表于 2020-3-31 13:43
兄弟，裸跑跑起来并不复杂，代码就是普通main函数程序，硬件部分最大的区别就是开不开MMU，寄存器操作都 ...

十多年前的时候在arm7 s3c44b0x的时候弄过uboot+main的这种程序。这种程序主要是为了验证驱动的代码。后来主要是做M4、M3的开发。虽然也接触过树莓派、BB-black等板子，但是都没有弄过驱动程序。主要是应用层的程序。看到这个板子后就想更深入的了解一下。其实主要是编译选项的选择。你说的SPI代码我看看。兄弟多费心了。

freebsder 发表于 2020-3-31 14:34

bigbat 发表于 2020-3-31 14:21
十多年前的时候在arm7 s3c44b0x的时候弄过uboot+main的这种程序。这种程序主要是为了验证驱动的代码。后 ...

内核驱动挺麻烦的，涉及的东西除了硬件本身，还有Linux庞大的framework，真有需要学的话最好系统学一下，没有必要需求不学也罢，要学好真的十分消耗精力。前些年还要写各种驱动，现在的芯片BSP都很完备，就算要搞搞，例子和模板也多，抄抄就出来了。前些年还要自己做交叉编译器，现在直接就apt install，鄙人一手熟练的make手艺已经英雄无用武之地。。。当然BSP里面BUG是另一回事。

okhxyyo 发表于 2020-3-31 23:40

赞！！！

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