RA8 Cortex-M85 Helium技術(shù)入門(mén)指南（1）

瑞薩電子在2023年10月底推出強大的RA8系列MCU，具備突破性的3000 CoreMark，并可滿(mǎn)足客戶(hù)應用所需的完全確定性、低延遲及實(shí)時(shí)操作要求。RA8系列MCU同時(shí)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設計人員能夠使用RA MCU替代應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A(yíng)rm Cortex-M處理器的RA產(chǎn)品家族中的一員。此外，為其它RA產(chǎn)品構建的現有設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型矢量擴展單元（M-profile Vector Extension——MVE）。MVE是ARM v8.1M架構中非常重要的一部分。目前ARM v8.1M架構下的內核包括Cortex-M52、Cortex-M55、Cortex-M85三種。下面的表格Arm Cortex-M Processor Comparison Table詳細展示了從Armv6到Armv8.1M內核之間的不同?？梢匀菀椎匕l(fā)現，Cortex-M85是目前性能最強的Arm Cortex-M內核MCU。

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

循環(huán)和分支增強的附加指令集（低開(kāi)銷(xiāo)分支擴展，Low Overhead Branch Extension）。

支持半精度浮點(diǎn)指令。

調試功能增強，包括性能監測單元（Performance Monitoring Unit，PMU）和針對信號處理應用程序開(kāi)發(fā)的調試附加功能支持。

用于FPU的TrustZone管理增強指令集。

非特權調試擴展。

內存保護單元（Memory Protection Unit，MPU）提供了一個(gè)新的內存屬性，即“特權模式下永不執行”（Privileged eXecute Never，PXN）的屬性。這允許當CPU處于特權模式下時(shí)阻止執行任意代碼，而這些代碼可能已經(jīng)寫(xiě)入了用戶(hù)空間。這是一個(gè)重要的安全特性。

可靠性、可用性及可維護性（Reliability，Availability and Serviceability，RAS）擴展。

引入Helium是為了在Cortex-M內核MCU上實(shí)現更高效的DSP類(lèi)和機器學(xué)習操作。它和Cortex-A內核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構都是通用的。

然而，Helium是一種全新的設計，可在小型處理器中實(shí)現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架構帶來(lái)了類(lèi)似Neon的功能（Cortex-A的SIMD注指令）。Helium經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可有效利用較小Cortex-M內核中的所有可用硬件。下表詳細給出了Helium和Neon之間的對比信息。

Helium與Neon對比表

注：SIMD（Single Instruction Multiple Data）即單指令多數據，表示在該硬件中的多個(gè)處理單元中可以同時(shí)對多個(gè)數據項執行相同的操作，也就是說(shuō)，CPU可以同時(shí)執行并行計算，但只有一個(gè)指令正在執行。這是數據級的并行。

目前有許多系統將Cortex-M處理器和專(zhuān)用可編程的DSP處理器結合來(lái)使用。Helium允許這樣的系統只用一個(gè)處理器來(lái)實(shí)現。這樣做有如下優(yōu)點(diǎn)：

從軟件開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，它允許使用單個(gè)工具鏈，而不是分別對CPU和DSP使用各自的編譯器和調試器。這就意味著(zhù)程序員只需要熟悉一種架構。

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(shí)時(shí)交互的兩個(gè)運行時(shí)處理器中的不同軟件進(jìn)行調試既困難也耗時(shí)。

Cortex-M系列的CPU相比專(zhuān)用DSP而言，更易于編程。

在硬件設計層面，使用一個(gè)處理器（而不是兩個(gè)處理器）可以簡(jiǎn)化系統，從而減少芯片面積和成本，并縮短開(kāi)發(fā)周期。

在詳細介紹Helium之前，我們現在來(lái)聊聊標量和矢量的概念。

數學(xué)和物理世界中的觀(guān)點(diǎn)

標量是一個(gè)只要大小的量

- 比如純數字，質(zhì)量，速率，溫度，體積等

矢量是一個(gè)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

計算機科學(xué)世界中的觀(guān)點(diǎn)

標量（處理器）是一次性處理一個(gè)數據元素的處理器。

- 通常用來(lái)處理通用的計算任務(wù)，如文字處理和電子表格。

- 功耗低，價(jià)格便宜。

矢量（處理器）是一次性對多組數據（每組一般為兩個(gè)數據）成批地進(jìn)行同樣的運算，得到一批結果的處理器。如一次將100個(gè)加數與100個(gè)被加數相加，同時(shí)得到100個(gè)和的運算。

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

- 也可用于科學(xué)計算，加速復雜算法的處理。

- 功耗高，價(jià)格稍高。

Helium寄存器、數據類(lèi)型和通道

Helium寄存器是128位的，一共有8個(gè)Helium寄存器，寄存器數量不可修改。它和浮點(diǎn)單元（FPU）共同使用。在FPU中使用S0~S31來(lái)訪(fǎng)問(wèn)32個(gè)單精度（32位）寄存器，同樣的硬件寄存器也可看做16個(gè)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架構中，Helium使用8個(gè)矢量寄存器Q0~Q7。這就意味著(zhù)，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(lèi)推。因為Helium寄存器重用了標量FPU寄存器，所以當發(fā)生異常時(shí)無(wú)須使用額外的資源去保存和恢復這些寄存器（同樣不影響中斷延遲）。

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

整型數值（8/16/32位寬）

定點(diǎn)飽和值（Q7/Q15/Q31）

浮點(diǎn)數值（半精度FP16/單精度FP32）

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

Helium允許矢量中的每個(gè)通道有條件地執行，這稱(chēng)作通道預測。矢量預測狀態(tài)和控制寄存器（VPR）保存每個(gè)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，當這些條件值被設置好以后，接下來(lái)就可以使用VPT（矢量條件預測）指令，以每個(gè)通道為基礎在矢量預測中實(shí)現條件執行。

審核編輯：劉清