M85内核单片机深度解析：高性能MCU实战应用与厂商产品对比

随着高性能MCU的不断涌现，MCU与MPU之间的界限正逐渐模糊。早在2022年Arm推出Cortex-M85时，就有工程师评价："虽然M85属于Cortex-M系列，但其性能已超越早期Cortex-A处理器，堪称微应用处理器级别的产品。"

近期，各大厂商纷纷加码M85架构MCU，这些产品展现出媲美MPU的处理能力。它们究竟有何突出优势？

解析M85架构核心优势

性能是M85最直观的竞争优势。作为首款支持超过6 CoreMarks/MHz且超过3 DMIPS/MHz的Cortex-M处理器，M85通过Arm Helium技术实现了相较于前代M7四倍的DSP和机器学习处理提升。这种性能飞跃得益于微架构层面的多项创新：优化的双发射和选择性三发射能力、改进的分支预测机制，以及包含数据预取功能的内存系统增强。

面对日益增长的计算需求，嵌入式系统开发者面临关键抉择：是优化现有软件以提升微控制器效率，还是将代码迁移至性能更高的微处理器架构？Cortex-M微控制器具备确定性执行、短中断延迟和先进低功耗管理等独特优势。若转向Cortex-A处理器，则需牺牲部分Cortex-M的固有特性。因此，Arm推出这款性能卓越的M85内核，正是为了满足开发者对高性能与低功耗的双重需求。

内存系统架构是M85的另一大亮点。其配备的紧密耦合内存（TCM）低延迟系统确保了确定性操作。该架构为SoC设计人员提供四个32位数据TCM接口与一个64位指令TCM接口，所有接口均集成错误校正码（ECC）功能。新增的32位AHB访问接口支持外部DMA控制器与处理器内核并发访问TCM，为多种数据流处理场景提供硬件支持。

M85内存系统还包含配备ECC的一级缓存，通过AMBA 5 AXI主接口连接外部存储器，在应对低速非确定性内存访问时仍能保持优异性能。

安全性能是M85的第三大核心竞争力。作为首款集成Armv8.1-M指针验证与分支目标识别扩展（PACBTI）的Cortex-M处理器，M85引入了Armv8-M架构的TrustZone技术，显著降低了达成PSA安全认证2级的实现门槛。PACBTI通过验证函数调用与返回地址，有效防御面向返回和面向跳转的软件攻击。

总体而言，M85带来的性能突破为MCU开发者开辟了新天地。虽然产品更新换代需要时间，且M85的市场定位仍需明晰，但目前看来，这款处理器已迎来爆发式发展的最佳时机。

STM32V8：性能新标杆

意法半导体近期推出的STM32V8引发业界广泛关注，这款产品成为STM32系列中性能最出色的微处理器之一，其EEMBC CoreMark评分达到惊人的5072分，远超STM32N6系列。

18nm制程工艺、800MHz Cortex-M85内核、4MB相变存储、MVE向量扩展——这些关键技术参数充分体现了产品的技术实力。

据官方数据，仅通过升级至M85内核，新品在实时控制应用的标量数学运算性能上就提升20%；与Cortex-M7产品相比，同主频下性能提升3.5倍；依赖DSP功能的应用性能增幅高达300%~400%。

卓越性能得益于18nm FD-SOI PCM工艺的应用，该工艺与汽车MCU Stellar系列同源。FD-SOI技术与FinFET形成竞争格局，在MCU领域属于创新应用，不仅提升了运行速度，还显著优化了功耗效率。

相变存储作为嵌入式非易失性存储器技术，以高速著称。由于嵌入式闪存技术发展受阻，MCU制程长期停留在40nm节点。为突破此限制，业界开始转向新型存储技术。

PCM在与MRAM、FRAM、RRAM的竞争中展现出独特优势：提供同类最小的存储单元，在单位面积上实现翻倍的信息存储量，在不增加成本的前提下提升整体存储容量。更重要的是，ST的PCM支持最高140℃工作温度，其抗辐射特性使之适用于航空航天、工业及汽车等严苛环境。因此，STM32V8的重要应用领域就包括航空航天。

该系列芯片支持最高4MB ePCM与1.5MB RAM，片外串行存储器接口包括八线SPI与十六线SPI，可支持串行NOR闪存、HyperRAM、PSRAM及就地执行操作。

AI能力的大幅提升是STM32V8的另一核心优势。通过Arm Helium M-profile向量扩展技术构建AI能力基础。Helium作为基于打包单指令多数据和单元素标量指令的Arm数学架构，支持整数与浮点数运算，涵盖8位至64位整型操作及128位向量中的16/32位浮点运算。该技术为高性能微控制器带来增强的机器学习与数字信号处理能力，Arm还将MVE封装成适用于C/C++开发的函数库与代码生成工具。

伴随新品发布，ST还升级了边缘AI产品线的AI模型库。该库汇集经过预训练的AI模型，覆盖多种应用场景。这些模型专为适配意法半导体AI微控制器产品组合而优化，可加速边缘AI开发进程。目前模型库包含140余个模型，应用范围涵盖可穿戴设备、智能摄像头与传感器、安防设备及机器人等设备所需的视觉、音频与感知功能，支持PyTorch、TensorFlow、RSCI框架、LiteRT及Onex格式模型开发。

STM32V8在细节方面也有显著升级：集成Chrom-ART图形加速器、TFT LCD控制器及JPEG加速器；千兆以太网控制器支持时间敏感网络，同时配备FD-CAN、高速USB和HDMI-CEC等接口；包含12位ADC与DAC接口以及两组SAI与四组I2S音频接口；涵盖安全存储、安全启动与安全调试支持；配备唯一身份标识与防篡改机制，并通过PSA Level 3与SESIP 3安全认证。

瑞萨：M85生态的先行者

瑞萨在M85布局方面起步更早，产品迭代也更为频繁。

2023年10月，瑞萨推出业界首款基于Arm Cortex-M85处理器的RA8系列MCU——RA8M1，实现突破性的3000 CoreMark评分，满足客户应用对确定性、低延迟及实时操作的严苛要求。据官方介绍，6.39 CoreMark/MHz的性能水平使系统设计人员能够用RA MCU替代传统MPU应用。

初代RA8产品主要围绕M85内核扩展产品线，采用480MHz M85搭载Helium MVE，存储方面沿用传统方案，搭载1MB~2MB闪存和1MB SRAM（含TCM）。

今年6月，瑞萨在官网悄然上线"全球最强MCU"RA8P1系列。第二代RA8将工艺提升至22nm ULL，搭载0.5/1MB MRAM（可选4/8MB闪存），M85内核主频达到1GHz。相比之下，RT1170采用28nm FD-SOI制程工艺。

MRAM相较于闪存具备更快写入速度、更高耐用性和更强数据保持能力。为提升AI性能，第二代RA8还集成了Ethos-U55 NPU和另一颗250MHz M33内核。

在推出RA8P1的同时，瑞萨同步发布RA8D2，同样搭载1GHz M85内核和MRAM存储。

今年10月，瑞萨继续产品迭代，推出1GHz RA8T2 Cortex-M85微控制器，集成MRAM与EtherCAT，专为工业电机控制优化。该产品集成1MB MRAM、2MB带ECC校验的SRAM，为双内核分别配置256KB（M85）和128KB（M33）紧耦合内存，支持SiP封装扩展至8MB外部闪存。

随后不久，瑞萨又为RA8系列新增RA8M2和RA8D2两款产品，CoreMark评分刷新至7300分。

瑞萨强调，RA8M2和RA8D2搭载的嵌入式MRAM相较闪存技术具备多重优势：高耐用性与强数据保持能力、快速写入速度、无需擦除操作、支持字节寻址，同时具备更低漏电流和制造成本。对于高性能应用，还提供带有4或8MB外部闪存的SIP选项。两款MCU均包含千兆以太网接口和双端口TSN交换机，满足工业网络应用需求。

近期瑞萨持续深耕高算力MCU领域，为提升制程和性能，同时大力推进MRAM技术应用。

总结与展望

从M85在MCU中的落地应用来看，MCU与MPU的界限确实日益模糊。这些技术布局的深层动力源自AI应用的推动，AI为产品升级提供了强劲动力。

M85以其超越传统MCU的极致性能与异构集成能力，正在重新定义高性能嵌入式系统的技术边界，引领MCU迈向"算力无界"的新纪元。

参考文献 [1]Arm：https://developer.arm.com/community/arm-community-blogs/b/internet-of-things-blog/posts/introducing-cortex-m85 [2]All About Circuits：https://www.allaboutcircuits.com/news/stmicro-unveils-first-18-nm-mcu-for-high-performance-designs/ [3]Electronic Design：https://www.electronicdesign.com/technologies/embedded/article/55332065/electronic-design-stmicroelectronics-stm32v8-utilizes-fd-soi-and-phase-change-memory [4]ST：https://www.st.com/resource/en/product_presentation/stm32v8-presentation.pdf [5]Renasas：https://www.renesas.cn/