瑞薩電子在2023年10月底推出強(qiáng)大的RA8系列MCU，具備突破性的3000 CoreMark，并可滿足客戶應(yīng)用所需的完全確定性、低延遲及實時操作要求。RA8系列MCU同時也是業(yè)界首款采用Arm Cortex-M85處理器的產(chǎn)品，能夠提供卓越的6.39 CoreMark/MHz性能——這一性能水平將使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠使用RA MCU替代應(yīng)用中常用的微處理器（MPU）。全新系列產(chǎn)品是廣受歡迎的基于Arm Cortex-M處理器的RA產(chǎn)品家族中的一員。此外，為其它RA產(chǎn)品構(gòu)建的現(xiàn)有設(shè)計可以輕松移植到新型RA8 MCU上。

新型RA8系列MCU部署了Arm Helium技術(shù)，即Arm的M型矢量擴(kuò)展單元（M-profile Vector Extension——MVE）。MVE是ARM v8.1M架構(gòu)中非常重要的一部分。目前ARM v8.1M架構(gòu)下的內(nèi)核包括Cortex-M52、Cortex-M55、Cortex-M85三種。下面的表格Arm Cortex-M Processor Comparison Table詳細(xì)展示了從Armv6到Armv8.1M內(nèi)核之間的不同。可以容易地發(fā)現(xiàn)，Cortex-M85是目前性能最強(qiáng)的Arm Cortex-M內(nèi)核MCU。

Arm v8.1-M架構(gòu)是Arm v8-M架構(gòu)的擴(kuò)展版本。除了新的矢量指令集架構(gòu)（Helium）以外，還有幾個其他新特性：

循環(huán)和分支增強(qiáng)的附加指令集（低開銷分支擴(kuò)展，Low Overhead Branch Extension）。

支持半精度浮點(diǎn)指令。

調(diào)試功能增強(qiáng)，包括性能監(jiān)測單元（Performance Monitoring Unit，PMU）和針對信號處理應(yīng)用程序開發(fā)的調(diào)試附加功能支持。

用于FPU的TrustZone管理增強(qiáng)指令集。

非特權(quán)調(diào)試擴(kuò)展。

內(nèi)存保護(hù)單元（Memory Protection Unit，MPU）提供了一個新的內(nèi)存屬性，即“特權(quán)模式下永不執(zhí)行”（Privileged eXecute Never，PXN）的屬性。這允許當(dāng)CPU處于特權(quán)模式下時阻止執(zhí)行任意代碼，而這些代碼可能已經(jīng)寫入了用戶空間。這是一個重要的安全特性。

可靠性、可用性及可維護(hù)性（Reliability，Availability and Serviceability，RAS）擴(kuò)展。

引入Helium是為了在Cortex-M內(nèi)核MCU上實現(xiàn)更高效的DSP類和機(jī)器學(xué)習(xí)操作。它和Cortex-A內(nèi)核MPU中Neon有很多相似之處。Neon和Helium都使用FPU中的寄存器作為矢量寄存器。兩者都使用128位向量，并且許多向量處理指令對于兩種體系結(jié)構(gòu)都是通用的。

然而，Helium是一種全新的設(shè)計，可在小型處理器中實現(xiàn)高效的信號處理性能。它為嵌入式用例提供了許多新的架構(gòu)功能，因為它針對面積（成本）和功耗進(jìn)行了優(yōu)化，為M-Profile架構(gòu)帶來了類似Neon的功能（Cortex-A的SIMD注指令）。Helium經(jīng)過優(yōu)化，可有效利用較小Cortex-M內(nèi)核中的所有可用硬件。下表詳細(xì)給出了Helium和Neon之間的對比信息。

Helium與Neon對比表

注：SIMD（Single Instruction Multiple Data）即單指令多數(shù)據(jù)，表示在該硬件中的多個處理單元中可以同時對多個數(shù)據(jù)項執(zhí)行相同的操作，也就是說，CPU可以同時執(zhí)行并行計算，但只有一個指令正在執(zhí)行。這是數(shù)據(jù)級的并行。

目前有許多系統(tǒng)將Cortex-M處理器和專用可編程的DSP處理器結(jié)合來使用。Helium允許這樣的系統(tǒng)只用一個處理器來實現(xiàn)。這樣做有如下優(yōu)點(diǎn)：

從軟件開發(fā)的角度來看，它允許使用單個工具鏈，而不是分別對CPU和DSP使用各自的編譯器和調(diào)試器。這就意味著程序員只需要熟悉一種架構(gòu)。

消除了對處理器間通信的需求，這點(diǎn)可能非常重要，因為要對實時交互的兩個運(yùn)行時處理器中的不同軟件進(jìn)行調(diào)試既困難也耗時。

Cortex-M系列的CPU相比專用DSP而言，更易于編程。

在硬件設(shè)計層面，使用一個處理器（而不是兩個處理器）可以簡化系統(tǒng)，從而減少芯片面積和成本，并縮短開發(fā)周期。

在詳細(xì)介紹Helium之前，我們現(xiàn)在來聊聊標(biāo)量和矢量的概念。

數(shù)學(xué)和物理世界中的觀點(diǎn)

標(biāo)量是一個只要大小的量

- 比如純數(shù)字，質(zhì)量，速率，溫度，體積等

矢量是一個有大小而且有方向的量

- 比如速度，加速度，位移，重力，摩擦力等

計算機(jī)科學(xué)世界中的觀點(diǎn)

標(biāo)量（處理器）是一次性處理一個數(shù)據(jù)元素的處理器。

- 通常用來處理通用的計算任務(wù)，如文字處理和電子表格。

- 功耗低，價格便宜。

矢量（處理器）是一次性對多組數(shù)據(jù)（每組一般為兩個數(shù)據(jù)）成批地進(jìn)行同樣的運(yùn)算，得到一批結(jié)果的處理器。如一次將100個加數(shù)與100個被加數(shù)相加，同時得到100個和的運(yùn)算。

- 對于圖像，視頻，音頻數(shù)據(jù)處理等需要并行處理大量數(shù)據(jù)的任務(wù)特別有用。

- 也可用于科學(xué)計算，加速復(fù)雜算法的處理。

- 功耗高，價格稍高。

Helium寄存器、數(shù)據(jù)類型和通道

Helium寄存器是128位的，一共有8個Helium寄存器，寄存器數(shù)量不可修改。它和浮點(diǎn)單元（FPU）共同使用。在FPU中使用S0~S31來訪問32個單精度（32位）寄存器，同樣的硬件寄存器也可看做16個雙精度（64位）寄存器D0~D15。例如，D0和S0、S1共用64位相同的硬件寄存器。

在Helium架構(gòu)中，Helium使用8個矢量寄存器Q0~Q7。這就意味著，Helium寄存器Q0和S0~S3、D0~D1浮點(diǎn)寄存器使用相同的物理寄存器，Q1和S4~S7、D2~D3浮點(diǎn)寄存器使用相同的物理寄存器，其他Helium寄存器以此類推。因為Helium寄存器重用了標(biāo)量FPU寄存器，所以當(dāng)發(fā)生異常時無須使用額外的資源去保存和恢復(fù)這些寄存器（同樣不影響中斷延遲）。

每個Helium寄存器都可以劃分為8位，16位，32位寬的通道。每個通道可以被一條指令看作：

整型數(shù)值（8/16/32位寬）

定點(diǎn)飽和值（Q7/Q15/Q31）

浮點(diǎn)數(shù)值（半精度FP16/單精度FP32）

下圖是一個矢量寄存器相加的示例。Helium寄存器q5和q0都是8個int16的元素數(shù)據(jù)（8個通道），將他們相加的結(jié)果存在q0中。

Helium允許矢量中的每個通道有條件地執(zhí)行，這稱作通道預(yù)測。矢量預(yù)測狀態(tài)和控制寄存器（VPR）保存每個通道的條件值。某些矢量指令（比如矢量比較VCMP）可以改變VPR中的條件值，當(dāng)這些條件值被設(shè)置好以后，接下來就可以使用VPT（矢量條件預(yù)測）指令，以每個通道為基礎(chǔ)在矢量預(yù)測中實現(xiàn)條件執(zhí)行。

審核編輯：劉清