作者：Kenton Williston

　　人工智能 (AI)、機器學習 (ML) 和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)邊緣的其他計算密集型工作負載的興起給微控制器 (MCU) 帶來了額外的處理負載。即使設(shè)計人員被要求最大限度地降低功耗并加快上市時間，處理這些新的工作負載也會增加功耗。

　　設(shè)計人員需要一種計算選項，既能保持 MCU 的效率，又能添加專門針對低功耗用例定制的高性能功能。此選項還應(yīng)保留與傳統(tǒng) MCU 相關(guān)的簡單部署模型，同時添加足夠的功能來支持 AI 和 ML 啟用的復(fù)雜應(yīng)用程序，例如語音控制和預(yù)測性維護。

　　本文討論了推動人工智能和機器學習需求的因素，并解釋了為什么需要新的處理器架構(gòu)來有效地提供這些功能。然后介紹瑞薩電子的RA8M1 MCU 系列，并展示如何使用它來滿足這些要求。

　　邊緣AI和ML的要求

　　從樓宇自動化、工業(yè)設(shè)備到家用電器，邊緣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對人工智能和機器學習的需求不斷增加。即使是相對較小的低功耗嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在也承擔著關(guān)鍵字識別、語音命令控制和音頻/圖像處理等工作負載。目標應(yīng)用包括傳感器集線器、無人機導(dǎo)航和控制、增強現(xiàn)實 (AR)、虛擬現(xiàn)實 (VR) 和通信設(shè)備。

　　為了最大限度地減少能源使用、開銷和延遲，同時確保隱私，通常首選在邊緣處理數(shù)據(jù)而不是將其發(fā)送到云端。這對設(shè)計人員來說是一個挑戰(zhàn)，因為邊緣設(shè)備通常資源有限，特別是在電池供電時。

　　用于邊緣計算的增強型 MCU

　　AI 和 ML 工作負載通常涉及在大型數(shù)據(jù)集中重復(fù)執(zhí)行相同的數(shù)學運算。這些工作負載可以使用單指令、多數(shù)據(jù) (SIMD) 處理進行加速。 SIMD 并行執(zhí)行多項數(shù)學運算，與傳統(tǒng)處理相比，可提供更高的吞吐量和更高的能效。

　　由于傳統(tǒng) MCU 缺乏 SIMD 功能，因此它們需要幫助執(zhí)行 AI 和 ML 工作負載。一種解決方案是與 MCU 一起使用數(shù)字信號處理器 (DSP) 或其他 SIMD 加速器。然而，這種多處理器方法使系統(tǒng)設(shè)計變得復(fù)雜。

　　另一種選擇是改用配備 SIMD 功能的更高性能微處理器單元 (MPU)。這可以在單處理器設(shè)置中提供必要的性能，但 MPU 在功耗和功能集方面需要權(quán)衡。例如，并非所有 MPU 都旨在提供面向 MCU 的應(yīng)用程序所需的確定性、低延遲計算。

　　在 MCU 中啟用 AI 和 ML

　　瑞薩電子認識到需要一套優(yōu)化的 MCU 來支持 AI 和 ML 工作負載，因此推出了 RA8M1 MCU 系列(圖 1)。該系列基于配備 Helium 和 TrustZone 的Arm? Cortex?-M85 架構(gòu)，運行頻率為 480 兆赫 (MHz)，典型功耗為每兆赫 225 微安 (μA/MHz)。

　　圖 1：Renesas RA8M1 MCU 基于 Arm Cortex-M85，并采用 Helium 技術(shù)來加速 AI 和 ML 處理。 (圖片來源：瑞薩)

　　RA8M1 MCU 專為高效性能和低功耗而設(shè)計，具有確定性、短中斷時間和最先進的電源管理支持等功能。該處理器的性能效率達到 6.39 CoreMark 每兆赫 (CoreMark/MHz)。

　　Helium 是一種 SIMD M-Profile 矢量擴展 (MVE)，可顯著加速信號處理和 ML。它添加了 150 個標量和向量指令，并支持 128 位寄存器的處理(圖 2)。它針對資源受限、低功耗的微控制器進行了優(yōu)化。例如，Helium 重用浮點單元 (FPU) 寄存器，而不是引入新的 SIMD 寄存器。這有助于降低處理器的功耗并降低設(shè)計復(fù)雜性。

　　圖 2：Helium 重用 FPU 寄存器組進行矢量處理。 (圖片來源：Arm)

　　如圖 3 所示，RA8M1 的 Cortex-M85 包含 Arm 的 TrustZone 技術(shù)。 TrustZone 為關(guān)鍵固件、資產(chǎn)和私人信息提供硬件隔離。 Cortex-M85 還添加了新的安全保障功能，例如指針身份驗證和分支目標識別 (PACBTI) 擴展。這些安全功能在設(shè)備可能與個人數(shù)據(jù)交互的人工智能環(huán)境中特別有價值。

　　圖 3：Cortex-M85 的 TrustZone 為關(guān)鍵固件、資產(chǎn)和私人信息提供硬件隔離。 (圖片來源：Arm)

　　支持 AI 的 MCU 需要具備的硬件功能

　　MCU 應(yīng)將高效性能與強大的功能集結(jié)合起來，以支持人工智能應(yīng)用。 RA8M1 配備齊全，適用于電機控制、可編程邏輯控制 (PLC)、計量以及其他工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　例如，人工智能算法需要大量內(nèi)存。 RA8M1 系統(tǒng)存儲器包括高達 2 兆字節(jié) (Mbytes) 的閃存和 1 MB 的 SRAM。 SRAM 包括 128 KB 的緊耦合存儲器 (TCM)，可實現(xiàn)快速存儲器訪問以實現(xiàn)高性能計算。

　　為了確保可靠運行，384 KB 的用戶 SRAM 和整個 128 KB TCM 被配置為糾錯碼 (ECC) 存儲器。 32 KB 指令和數(shù)據(jù)高速緩存也受 ECC 保護。

　　除了 Arm 內(nèi)核中包含的功能之外，RA8M1 還包含多種安全功能。其中包括用于安全數(shù)據(jù)處理的可重編程安全知識產(chǎn)權(quán) (RSIP) 加密引擎、用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護的不可變存儲以及篡改保護機制。

　　對于通信接口，MCU 配備了用于網(wǎng)絡(luò)連接的以太網(wǎng)、用于汽車和工業(yè)應(yīng)用的控制器局域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD) 以及用于一般連接的 USB 高速/全速。它還集成了一個攝像頭接口和一個八進制串行外設(shè)接口 (SPI)，可對外部存儲器進行動態(tài)解密。

　　模擬接口包括 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、高速模擬比較器以及三個采樣保持電路。對于串行通信，RA8M1 支持多種協(xié)議，包括帶 SPI 的串行通信接口 (SCI)、通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 和內(nèi)部集成電路 (I2C) 模式。該 MCU 還提供改進的內(nèi)部集成電路 (I3C)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和效率。

　　需要完全訪問這些輸入/輸出 (I/O) 功能的開發(fā)人員可以使用球柵陣列 (BGA) 封裝，例如 224 引腳R7FA8M1AHECBD#UC0。尋求更簡化的印刷電路板 (PC 板) 設(shè)計和組裝流程的用戶可以考慮使用薄型四方扁平封裝 (LQFP) 選項，例如 144 引腳 R7FA8M1AHECFB #AA0。

　　AI應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境

　　有興趣嘗試 RA8M1 系列的設(shè)計人員可以從EK-RA8M1 R7FA8M評估板開始(圖 4)。該板包括一個 RJ45 RMII 以太網(wǎng)接口、一個 USB 高速主機和設(shè)備接口以及一個三引腳 CAN FD 接頭。對于存儲器，它具有 64 MB 八進制 SPI 閃存。

　　圖 4：EK-RA8M1 評估板具有強大的 I/O 支持來測試 RA8M1 MCU。 (圖片來源：瑞薩)

　　RA8M1 由瑞薩電子靈活軟件包(FSP) 支持，這是一個綜合框架，旨在為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供用戶友好、可擴展且高質(zhì)量的軟件基礎(chǔ)。

　　該軟件包提供了開發(fā)工具，包括基于流行的 Eclipse IDE 的e2 studio集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)。它還包含兩個著名的免版稅實時操作系統(tǒng)：Azure RTOS 和 FreeRTOS。

　　該軟件包包括輕量級、生產(chǎn)就緒的驅(qū)動程序，支持嵌入式系統(tǒng)中的常見用例。這些驅(qū)動程序與評估板相結(jié)合，為開發(fā)人員提供了快速試驗 RA8M1 I/O 的途徑。

　　結(jié)論

　　RA8M1 為開發(fā)人員提供了在邊緣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實施 AI 和 ML 工作負載的新選擇，從而節(jié)省功耗、增強性能、降低復(fù)雜性并縮短上市時間。