Nota applicativa
Famiglia Renesas RA
Alte prestazioni con
MCU RA8 che utilizza Arm®
Nucleo CortexM85 con Helium™
Introduzione
Questa nota applicativa descrive la creazione di applicazioni con prestazioni migliorate con gli MCU Renesas RA8 che utilizzano il core Cortex-M85 (CM85) con Helium™. Ha lo scopo di evidenziare il vantaggio prestazionaletages del core Arm® Cortex-M85, incluso il funzionamento a bassa latenza. Elio, M-Pro di Armfile l'estensione vettoriale con supporto di numeri interi e a virgola mobile consente funzionalità avanzate di elaborazione del segnale digitale (DSP), machine learning (ML) e aiuta ad accelerare applicazioni ad alta intensità di calcolo come l'intelligenza artificiale (AI) degli endpoint e ML.
Questa nota applicativa ti guida attraverso tutti i passaggi necessari per ottenere prestazioni più elevate, tra cui:
- Applicazione terminataview
- Punti salienti dell'applicazione
- Configurazione dello strumento
- Conferma dell'applicazione
Risorse richieste
Strumenti e software di sviluppo
- IAR Embedded Workbench (IAR EWARM) versione 9.40.1.63915 o successiva
- Pacchetto software flessibile Renesas (FSP) v5.0.0 o successiva.
Hardware
- Kit Renesas EK-RA8M1 (gruppo MCU RA8M1)
Manuali di riferimento
- Versione della documentazione del pacchetto software RA flessibile v5.0.0
- Manuale Utente Renesas RA8M1 Group Rev.1.0
- Schemi EK-RA8M1-v1.0
Applicazione finitaview
I progetti applicativi che accompagnano questo documento mostrano il miglioramento delle prestazionitages dell'MCU Renesas RA8 con core CM85. Gli elementi intrinseci dell'elio e le funzioni della libreria DSP Arm® CMSIS vengono confrontati per evidenziare i miglioramenti rispetto alla versione scalare di questi elementi intrinseci.
Le applicazioni utilizzano anche la memoria TCM (Tightly Coupled Memory) e la cache insieme a Helium per un ulteriore miglioramento delle prestazioni.
Tecnologia Arm® Cortex® -M85 Core e Helium™
La tecnologia Arm® Helium™ è l'M-profile Vector Extension (MVE) per la serie di processori Arm Cortex-M. Fa parte dell'architettura Arm v8.1-M e consente agli sviluppatori di realizzare un miglioramento delle prestazioni per le applicazioni DSP e ML. La tecnologia Helium™ fornisce prestazioni ottimizzate utilizzando Single Instruction Multiple Data (SIMD) per eseguire la stessa operazione contemporaneamente su più dati. Esistono due varianti di MVE, la variante intera e quella a virgola mobile:
- MVE-I funziona su tipi di dati a 32 bit, 16 bit e 8 bit, inclusi Q7, Q15 e Q31.
- MVE-F opera su valori a virgola mobile a mezza precisione e a precisione singola.
Le operazioni MVE sono divise ortogonalmente in due modi, corsie e battute. - Corsie
La corsia è una porzione di un registro o di un'operazione vettoriale. I dati inseriti in una corsia vengono definiti elementi. È possibile eseguire più corsie per battuta. Ci sono quattro battiti per istruzione vettoriale. Le larghezze di corsia consentite e le operazioni di corsia per battuta sono: – Per una dimensione di corsia a 64 bit, una battuta esegue metà dell'operazione di corsia.
– Per una dimensione di corsia a 32 bit, una battuta esegue un'operazione su una corsia.
– Per una dimensione di corsia a 16 bit, una battuta esegue un'operazione a due corsie.
– Per una dimensione di corsia di 8 bit, una battuta esegue operazioni su quattro corsie. - Battiti
Beat è un quarto di un'operazione vettoriale MVE. Poiché la lunghezza del vettore è di 128 bit, una battuta di un'istruzione di addizione di vettore equivale al calcolo di 32 bit di dati di risultato. Questo è indipendente dalla larghezza della corsia. Per esample, se la larghezza di una corsia è di 8 bit, allora un singolo battito di un'istruzione di aggiunta vettoriale eseguirà quattro addizioni di 8 bit. Il numero di battiti per ciascun tick descrive la quantità di stato dell'architettura che viene aggiornata per ciascun tick dell'architettura nel caso comune. I sistemi sono classificati in:
– In un sistema a battito singolo, potrebbe verificarsi un battito per ogni tick.
– In un sistema a doppio battito, potrebbero verificarsi due battiti per ciascun tick.
– In un sistema a quattro battiti, potrebbero verificarsi quattro battiti per ciascun tick.
Cortex® -M85 implementa un sistema a doppio battito e supporta la sovrapposizione di un massimo di due istruzioni MVE in base al battito in qualsiasi momento in modo che un'istruzione MVE possa essere emessa dopo un'altra istruzione MVE senza ulteriore stallo. Per ulteriori informazioni, fare riferimento a Dispositivi processore Arm® Cortex® -M85.
2.1 Nucleo Arm® Cortex® -M85
Le caratteristiche principali del core Arm® Cortex® -M85 nell'MCU Renesas RA8 sono le seguenti.
- Frequenza operativa massima: fino a 480 MHz
- Nucleo Arm® Cortex® -M85
– Revisione: (r0p2-00rel0)
– Architettura Armv8.1-M professionalefile
– Estensione di sicurezza Armv8-M
– Unità a virgola mobile (FPU) conforme allo standard ANSI/IEEE Std 754-2008 Operazione scalare a virgola mobile a mezza, singola e doppia precisione
– M-profile Estensione vettoriale (MVE) MVE intero, a mezza precisione e a virgola mobile a precisione singola (MVE-F)
– – La tecnologia Helium™ è M-profile Estensione vettoriale (MVE) - Unità di protezione della memoria Arm® (MPU Arm)
– – Architettura del sistema di memoria protetta (PMSAv8)
— MPU sicura (MPU_S): 8 regioni
— MPU non sicura (MPU_NS): 8 regioni - Timer SysTick
— Incorpora due timer Systick: Istanza sicura (SysTick_S) e Istanza non sicura (SysTick_NS)
— Gestito da CPUCLK o SYSTICKCLK (MOCO/8). - CoreSight™ETM-M85
La Figura 1 mostra lo schema a blocchi del core Arm® Cortex® -M85. 
2.2 MCU Renesa RA8
Il gruppo MCU RA8M1 incorpora un core Arm® Cortex® -M85 ad alte prestazioni come mostrato nella sezione precedente con Helium™ che funziona fino a 480 MHz con le seguenti caratteristiche.
- Fino a 2 MB di memoria flash con codice
- 1 MB di SRAM (128 KB di RAM TCM, 896 KB di SRAM utente)
- Interfaccia periferica seriale ottale (OSPI)
- Controller MAC Ethernet (ETHERC), USBFS, USBHS, interfaccia host SD/MMC
- Periferiche analogiche
- Caratteristiche di sicurezza e protezione.
2.3 Istruzione singola Dati multipli
La maggior parte delle istruzioni Arm® sono istruzioni SISD (Single Instruction Single Data). L'istruzione SISD opera solo su un singolo elemento di dati. Richiede più istruzioni per elaborare gli elementi di dati.
Il Single Instruction Multiple Data (SIMD), invece, esegue la stessa operazione su più elementi dello stesso tipo di dati, contemporaneamente. Significa invocare/eseguire una singola operazione e più operazioni vengono eseguite contemporaneamente.
La Figura 3 mostra il funzionamento dell'istruzione VADD.I32 Qd, Qn, Qm che somma insieme le quattro coppie di dati a 32 bit. Innanzitutto, le quattro coppie di dati di input a 32 bit vengono impacchettate in corsie separate in due registri Qn, Qm a 128 bit. Quindi, ciascuna corsia nel 1° registro sorgente viene quindi aggiunta alla corsia corrispondente nel 2° registro sorgente. I risultati vengono memorizzati nella stessa corsia nel registro di destinazione Qd.
2.4 Applicazioni Helium™
L'elaborazione del segnale digitale (DSP) e l'apprendimento automatico (ML) sono le principali applicazioni target di Helium™. Helium™ offre significativi aumenti delle prestazioni in queste applicazioni. In genere, le applicazioni Helium vengono create utilizzando gli intrinseci dell'elio.
Le istruzioni Helium sono rese disponibili come routine intrinseche tramite arm_mve.h nell'installazione IAR EWARM, situata in IAR Systems\Embedded Workbench xx\arm\inc\c\aarch32. Forniscono agli utenti l'accesso alle istruzioni Helium da C e C++ senza la necessità di scrivere codice assembly.
Molte funzioni nelle librerie CMSIS-DSP e CMSIS-NN sono state ottimizzate da Arm per utilizzare invece le istruzioni Helium. Renesas FSP supporta entrambe le librerie, rendendo più semplice per gli utenti lo sviluppo di applicazioni basate su queste librerie. Nella configurazione FSP, selezionare Arm DSP Library Source (CMSIS5-DSP versione 5.9.0 o successiva) e Arm NN Library Source (CMSIS-NN versione 4.1.0 o successiva) quando si generano progetti per aggiungere supporti CMSIS-DSP e CMSIS-NN al tuo progetto 
CMSIS-DSP e CMSIS-NN possono anche essere aggiunti utilizzando la scheda Stack nel configuratore FSP, come mostrato di seguito.
Supporto Helium™ in Renesas FSP e IAR EWARM
IAR EWARM supporta le istruzioni Helium™ con le impostazioni del compilatore. Quando si genera un progetto RA8M1 utilizzando Renesas RA Smart Configurator e il pacchetto software flessibile (FSP), le impostazioni della CPU e del software sono pre-ottimizzate per il core Cortex-M85 e il supporto CMSIS Helium™. Fare riferimento alla Guida di avvio rapido di Renesas RA Smart Configurator per la creazione di un progetto IAR EWARM per MCU RA8.
Figura 6. Creare un progetto EK-RA8M1 utilizzando Renesas RA Smart Configurator
Il core Cortex-M85 verrà selezionato nelle impostazioni IAR EWARM, come mostrato di seguito. 
Controlla Progetto > Opzioni > Opzioni generali per confermare se è selezionato SIMD (NEON/HELIUM).
Anche se le impostazioni del progetto sono pre-ottimizzate per Cortex-M85, possono essere personalizzate se necessario. È possibile aggiungere definizioni di macro per selezionare le configurazioni del progetto per abilitare e disabilitare alcune parti del codice in un progetto IAR EWARM. Vai su Progetto > Opzioni per modificare le impostazioni del progetto, se necessario. Le impostazioni del progetto possono essere confermate utilizzando la finestra Build Messages su IAR EWARM. Alcune impostazioni evidenziate per gli MCU RA8 sono contrassegnate in rosso di seguito. 
Progetto applicativo
Ci sono tre progetti che accompagnano questa nota applicativa. Tutti hanno il codice scalare equivalente alle funzioni Helium.
- Il Vector Multiply Accumule (VMLA) e il codice scalare equivalente.
- Il vettore moltiplica accumulato aggiungi accumulato attraverso il vettore (VMLADAVA) e il codice scalare equivalente.
- La funzione ARM DSP Dot Product e l'equivalente in codice scalare.
I progetti sono configurati in varie impostazioni per utilizzare DTCM, ITCM e cache per mostrare i miglioramenti prestazionali della tecnologia Helium rispetto al codice scalare.
La configurazione disponibile per ciascun progetto è la seguente. 
Dove I32_SCALAR è per il codice scalare, I32_HELIUM è per il codice Helium, I32_HELIUM_DTCM è per il codice Helium che utilizza DTCM e I32_HELIUM_ITCM è per il codice Helium posizionato su ITCM.
I progetti in questa nota applicativa sono impostati su "Alto" e "Bilanciato" come mostrato nello screenshot seguente. 
Il simbolo _CONFIG_HELIUM_ è preimpostato per selezionare il funzionamento scalare, il funzionamento con elio o abilitare il codice per utilizzare DTCM e ITCM.
4.1 Istruzione di moltiplicazione e accumulazione vettoriale VMLA Example Nell'istruzione VMLA, ogni elemento nel vettore di ingresso2 viene moltiplicato per il valore scalare. Il risultato viene aggiunto
al rispettivo elemento del vettore di input1. I risultati vengono memorizzati nel registro di destinazione.
I passi dell'istruzione VMLA.S32 Qda, Qn, Rm sono mostrati nella figura seguente.
La funzione intrinseca vmlag_n_s32 nella Figura 15 viene utilizzata per mostrare le prestazioni dell'istruzione VMLA.S32 Qda, Qn, Rm rispetto all'equivalente scalare.
La Figura 16 mostra il codice scalare equivalente al codice Helium nella Figura 15. 
4.2 Istruzione vettoriale VMLADAVA Esample
L'istruzione VMLADAVA moltiplica le corsie corrispondenti di due vettori di input, quindi somma questi singoli risultati per produrre un singolo valore.
I passaggi dell'istruzione VMLADAVA.S32 Rda, Qn, Qm sono mostrati nella figura seguente.
La funzione intrinseca vmladavaq_s32 nella Figura 18 viene utilizzata per mostrare le prestazioni dell'istruzione VMLADAVA.S32 Rda, Qn, Qm rispetto all'equivalente scalare.
La Figura 19 mostra il codice scalare equivalente al codice Helium™ nella Figura 18.
4.3 Prodotto punto DSP ARM Esample
Il prodotto scalare esample utilizza la funzione arm_dot_product_f32 nella libreria Arm DSP per calcolare il prodotto scalare di due vettori di input moltiplicando elemento per elemento e sommandoli. La prestazione del
La versione Helium di arm_dot_product_f32 verrà confrontata con la sua versione scalare.
Il pacchetto software flessibile FSP di Renesas supporta Arm DSP Library Source per Cortex-M85 che utilizza gli elementi intrinseci dell'elio. Migliorerà significativamente le prestazioni rispetto al codice scalare. Selezionare Arm DSP Library Source nel Project Configurator per aggiungere la sorgente DSP al progetto, come mostrato nella Figura 21.
Fare clic su Genera contenuto del progetto, l'origine della libreria Arm DSP verrà aggiunta al progetto.
4.4 Miglioramento delle prestazioni
Puoi utilizzare la memoria Tightly Coupled Memory (TCM) e la cache insieme a Helium™ per ottenere prestazioni più elevate. In genere, il TCM fornisce l'accesso a ciclo singolo ed evita ritardi nell'accesso ai dati. Le routine e i dati critici possono essere collocati nelle aree TCM per garantire un accesso più rapido. TCM non utilizza cache.
4.4.1 Memoria strettamente accoppiata (TCM)
La memoria TCM da 128 KB nell'MCU RA8 è composta da 64 KB ITCM (istruzione TCM) e 64 KB DTCM (dati TCM). Tieni presente che l'accesso a TCM non è disponibile in modalità CPU Deep Sleep, modalità Software Standby e modalità Deep Software Standby.
La Figura 23 mostra ITCM e DTCM nel sottosistema CPU locale.
Per impostazione predefinita, FSP inizializza entrambe le aree ITCM e DTCM. Lo script del linker ha sezioni definite per le aree ITCM e DTCM, facilitandone l'utilizzo nelle applicazioni utente.
La Figura 24 e la Figura 25 sono istantanee delle posizioni ITCM e DCTM nell'MCU RA8.
4.4.2 Migliorare le prestazioni utilizzando DTCM
È possibile inserire dati nella sezione DTCM (.dtcm_data) in un progetto basato su FSP utilizzando la direttiva _attribute_, come illustrato nella Figura 26.
Il posizionamento dei dati di cui sopra può essere confermato utilizzando la mappa di memoria generata dal compilatore.
4.4.3 Migliorare le prestazioni utilizzando ITCM
Uno dei metodi per posizionare alcune porzioni di codice nella sezione ITCM (.itcm_data) consiste nell'utilizzare la direttiva #Pragma, come mostrato nella Figura 28.
Puoi confermare il posizionamento del codice utilizzando il file .map file generato dal compilatore o utilizzando la finestra di disassemblaggio nel debugger.
4.5 Migliorare le prestazioni utilizzando la cache dei dati
Quando una funzione utilizza cicli lunghi, esegue ripetutamente lo stesso codice. Inoltre, in molte applicazioni, l'accesso ai dati può essere ripetuto e sequenziale. Le prestazioni in questi scenari possono migliorare in modo significativo con la cache abilitata.
In FSP, l'abilitazione della cache delle istruzioni viene eseguita in una funzione denominata SystemInit in system.c, come mostrato nella Figura 30 e nella Figura 31.
Figura 31. Codice per abilitare la cache delle istruzioni in FSP
I progetti applicativi dispongono di un'impostazione per abilitare la cache dei dati. Imposta il simbolo _DCACHE_ENABLE_ nell'opzione del progetto su 1 per abilitare la cache dei dati. Anche se la cache dei dati migliora le prestazioni, può causare problemi di concorrenza e coerenza. È buona norma abilitare la cache per il codice dell'applicazione che ha accesso ripetuto allo stesso set di dati. 
Exampil codice le per abilitare e disabilitare la cache dei dati è mostrato nella Figura 33 e nella Figura 34.
Un altro metodo per abilitare la cache dei dati consiste nell'utilizzare FSP Configurator: BSP > Proprietà > Impostazioni > Famiglia MCU (RA8M1) > Impostazioni cache > Cache dati, come mostrato nella Figura 35.
4.6 Utilizzo del timer GPT (General Purpose) per il benchmarking
Nei progetti, il timer GPT0 viene utilizzato per misurare il tempo per il benchmarking delle prestazioni.
Verificare il progetto
5.1 Aprire l'area di lavoro del progetto
Gli strumenti software necessari per eseguire i progetti applicativi sono i seguenti:
- IAR Embedded Workbench (IAR EWARM) versione 9.40.1.63915 o successiva
- Pacchetto software flessibile Renesas (FSP) v5.0.0 o successiva
- SEGGER RTT Viewehm v7.92j o successiva
Da IAR EWARM, aprire HELIUM_EK_RA8M1.eww. 
L'area di lavoro HELIUM_EK_RA8M1 è composta da tre progetti denominati HELIUM_VMLA_EK_RA8M1, HELIUM_VMLADAVA_EK_RA8M1 e HELIUM_DOT_PRODUCT_EK_RA8M1.
Tre progetti visualizzati nell'area di lavoro all'apertura, come mostrato nella Figura 38.
Per abilitare il supporto della cache dati nel progetto dell'applicazione, modificare i simboli _DCACHE_ENABLE_ in Opzioni > Preprocessore da 0 a 1, come mostrato nella Figura 39.
5.2 Costruisci progetto
Ci sono diverse configurazioni in ogni progetto. Seleziona un progetto, quindi una configurazione di progetto che desideri eseguire prima di passare alla fase successiva.
Su IAR EWARM, avviare RA Smart Configurator da Strumenti > RA Smart Configurator e fare clic su "Genera contenuto del progetto" per generare il contenuto del progetto.
Costruisci il progetto attivo selezionando Progetto > Crea o Progetto > Ricostruisci tutto. 
5.3 Scaricare ed eseguire il progetto
Il kit EK‑RA8M1 dispone di alcune impostazioni degli interruttori che devono essere configurate prima di eseguire i progetti associati a questa nota applicativa. Questi interruttori devono essere riportati alle impostazioni predefinite secondo il manuale utente di EK‑RA8M1. Oltre a queste impostazioni degli interruttori, la scheda contiene anche una porta di debug USB e connettori per accedere all'interfaccia di programmazione J-Link.
Tabella 1. Impostazioni degli interruttori per EK-RA8M1
| Interruttore | Collocamento |
| J8 | Jumper sui pin 1-2 |
| J9 | Aprire |
Collega J10 sul kit EK-RA8M1 alla porta USB del tuo PC, apri e avvia SEGGER RTT Viewehm con le seguenti impostazioni.
Fare clic su Scarica e debug per avviare l'esecuzione del progetto.
I risultati dell'operazione verranno stampati su SEGGER RTT Viewehm, come mostrato nella Figura 45.
5.4 Confermare le istruzioni generate per l'estensione Helium™
Utilizzare la finestra Disassembly di EWARM per verificare il codice dell'estensione Helium™ generato dal compilatore IAR EWARM.
La Figura 46 mostra il disassemblaggio del codice scalare.
La Figura 47 mostra il disassemblaggio del codice Helium generato utilizzando l'estensione Helium™.
5.5 Analisi comparativa delle prestazioni
Utilizzare il “Contatore ciclo timer” stampato sul SEGGER RTT Viewer per il benchmarking delle prestazioni. Mostra quanti cicli del contatore GPT0 sono trascorsi da quando la funzione è stata eseguita. 
5.5.1 Progetto VMLAVADA HELIUM_VMLADAVA_EK_RA8M1
Le prestazioni della funzione vmladavaq_s32 in varie configurazioni sono le seguenti.
Di seguito le prestazioni della funzione vmlaq_n_s32 con cache dati abilitata nelle varie configurazioni. Per abilitare la cache dei dati nel progetto, seguire i passaggi nella sezione 4.5, crearlo e scaricarlo.
5.5.2 Progetto VMLA HELIUM_VMLA_EK_RA8M1
Le prestazioni della funzione vmlaq_n_s32 nelle varie configurazioni sono le seguenti.
Di seguito le prestazioni della funzione vmladavaq_s32 con cache dati abilitata nelle varie configurazioni. Per abilitare la cache dei dati nel progetto, seguire i passaggi nella sezione 4.5, crearlo e scaricarlo.
5.5.3 Progetto prodotto punto DSP HELIUM_DOT_PRODUCT_EK_RA8M1
Le prestazioni della funzione ARM DSP Dot Product arm_dot_prod_f32 in varie configurazioni sono le seguenti.
Di seguito sono riportate le prestazioni della funzione arm_dot_prod_f32 di ARM Dot Product con cache dati abilitata in varie configurazioni. Per abilitare la cache dei dati nel progetto, seguire i passaggi nella sezione 4.5, crearlo e scaricarlo.
Conclusione
L'MCU Renesas RA8 con Arm Cortex-M85 supporta un significativo incremento delle prestazioni scalari. Inoltre, il supporto TCM (Tightly Coupled Memory) di Renesas FSP semplifica l'utilizzo degli elementi intrinseci dell'elio e del TCM per ulteriori miglioramenti.
Websito e supporto
Visita la seguente vanità URLAiuta a conoscere gli elementi chiave della famiglia RA, scaricare i componenti e la relativa documentazione e ottenere supporto.
Informazioni sul prodotto RA renesas.com/ra
Forum di supporto del prodotto RA renesas.com/ra/forum
Pacchetto software flessibile RA renesas.com/FSP
Supporto Renesa renesas.com/support
Cronologia delle revisioni
| Rev. | Data | Descrizione | |
| Pagina | Riepilogo | ||
| 1.0 | ottobre 25.23 | – | Versione iniziale |
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“Alta qualità”: mezzi di trasporto (automobili, treni, navi, ecc.); controllo del traffico (semafori); apparecchiature di comunicazione su larga scala; sistemi terminali finanziari chiave; apparecchiature di controllo di sicurezza; eccetera.
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Documenti / Risorse
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MCU RENESAS RA8 ad alte prestazioni [pdf] Guida utente MCU RA8 ad alte prestazioni, RA8, MCU ad alte prestazioni, alte prestazioni, prestazioni |
