使用 Renesas RA8M1 MCU 快速地部署強(qiáng)大高效的 AI 和 ML 功能

作者：Kenton Williston

人工智能 (AI)、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和其他計(jì)算密集型工作負(fù)載在物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡(luò)邊緣的興起，給微控制器 (MCU) 帶來(lái)了額外的處理負(fù)載。處理這些新的工作負(fù)載會(huì)增加功耗，盡管要求設(shè)計(jì)人員盡量降低功耗并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)計(jì)算選項(xiàng)，既能保持 MCU 的效率，又能增加專(zhuān)為低功耗應(yīng)用定制的高性能功能。這一選項(xiàng)還應(yīng)保留與傳統(tǒng) MCU 相關(guān)的簡(jiǎn)單部署模式，同時(shí)增加足夠的功能，以支持 AI 和 ML 帶來(lái)的復(fù)雜應(yīng)用，如語(yǔ)音控制和預(yù)見(jiàn)性維護(hù)。

本文討論了推動(dòng) AI 和 ML 需求的因素，解釋了為什么需要新型處理器架構(gòu)來(lái)高效地實(shí)現(xiàn)這些功能。然后介紹 [Renesas]的 [RA8M1]系列 MCU，并說(shuō)明如何利用其來(lái)滿(mǎn)足這些要求。

邊緣 AI 和 ML 的要求

從樓宇自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備到家用電器，邊緣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì) AI 和 ML 的需求與日俱增。現(xiàn)在，即使是相對(duì)較小、功耗較低的嵌入式系統(tǒng)，也要承擔(dān)關(guān)鍵詞識(shí)別、語(yǔ)音命令控制和音頻/圖像處理等工作任務(wù)。目標(biāo)應(yīng)用包括傳感器中樞、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航和控制、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和通信設(shè)備。

為了最大限度地減少能耗、開(kāi)銷(xiāo)和延遲，同時(shí)確保隱私，在邊緣處理數(shù)據(jù)通常比將數(shù)據(jù)發(fā)送到云更可行。這對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫吘壴O(shè)備往往資源有限，特別是在采用電池供電的情況下。

用于邊緣計(jì)算的增強(qiáng)型 MCU

AI 和 ML 工作負(fù)載通常包含在大型數(shù)據(jù)集中重復(fù)執(zhí)行相同的數(shù)學(xué)運(yùn)算。這些工作負(fù)載適合使用單指令、多數(shù)據(jù) (SIMD) 處理進(jìn)行加速。SIMD 可并行執(zhí)行多個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算，與傳統(tǒng)處理方式相比，吞吐量更多，能效更高。

由于傳統(tǒng) MCU 缺乏 SIMD 功能，因此無(wú)法獨(dú)立執(zhí)行 AI 和 ML 工作負(fù)載。一種解決方案是同時(shí)使用 MCU 和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或其他 SIMD 加速器。然而，這種多處理器方法會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。

另一種方法是使用具有 SIMD 功能且性能更高的微處理器單元 (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進(jìn)行權(quán)衡。例如，并非所有 MPU 都具有面向 MCU 應(yīng)用所需的確定性、低延遲計(jì)算。

在 MCU 中實(shí)現(xiàn) AI 和 ML

Renesas 意識(shí)到需要一套優(yōu)化型 MCU 來(lái)支持 AI 和 ML 工作負(fù)載，因此推出了 RA8M1 系列 MCU（圖 1）。該系列基于帶有 Helium 和 TrustZone 的 [Arm?]Cortex?-M85 架構(gòu)，其運(yùn)行頻率為 480 MHz，典型功耗為 225μA/MHz。

圖 1：Renesas 的 RA8M1 MCU 基于 Arm Cortex-M85，包含可加速 AI 和 ML 處理功能的 Helium 技術(shù)。（圖片來(lái)源:Renesas）

RA8M1 MCU 專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)高效性能和低功耗而設(shè)計(jì)，具有確定性、中斷時(shí)間短和最先進(jìn)的電源管理支持等特性。該處理器的性能效率達(dá)到每兆赫 6.39 CoreMark (CoreMark/MHz)。

Helium 是一種SIMD M-Profile 矢量擴(kuò)展(MVE)，可顯著加快信號(hào)處理和ML 的速度。它增加了150 條標(biāo)量和矢量指令，可處理128 位寄存器（圖2）。它針對(duì)資源有限、功耗較低的微控制器進(jìn)行了優(yōu)化。例如，Helium 重新使用浮點(diǎn)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功耗，減少設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

圖 2：Helium 重新利用 FPU 寄存器組進(jìn)行矢量處理。（圖片來(lái)源：Image source: Arm）

如圖 3 所示，RA8M1 的 Cortex-M85 包含了 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 還增加了新的安全保障功能，如指針驗(yàn)證和分支目標(biāo)識(shí)別 (PACBTI) 擴(kuò)展。在 AI 環(huán)境下，設(shè)備可能會(huì)與個(gè)人數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，因此這些安全功能尤為重要。

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(lái)源：Image source: Arm）

具備 AI 功能的 MCU 應(yīng)具備的硬件特性

MCU 應(yīng)將高效性與強(qiáng)大的功能集相結(jié)合，以支持人工智能應(yīng)用。RA8M1 可用于電機(jī)控制、可編程邏輯控制 (PLC)、計(jì)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存儲(chǔ)器。RA8M1 系統(tǒng)存儲(chǔ)器包括高達(dá) 2 MB 的閃存和 1 MB 的 SRAM。SRAM 包括 128 KB 的緊耦合內(nèi)存 (TCM)，可實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的快速存儲(chǔ)訪問(wèn)。

為確?？煽窟\(yùn)行，384 KB 的用戶(hù) SRAM 和整個(gè) 128 KB 的 TCM 均配置為糾錯(cuò)碼 (ECC) 存儲(chǔ)器。32 KB 指令和數(shù)據(jù)高速緩存也受 ECC 保護(hù)。

RA8M1 除包含 Arm 內(nèi)核的功能外，還集成了多種安全功能。其中包括用于安全數(shù)據(jù)處理的可重復(fù)編程安全知識(shí)產(chǎn)權(quán) (RSIP) 加密引擎、用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)保護(hù)的不可變存儲(chǔ)以及篡改保護(hù)機(jī)制。

在通信接口方面，MCU 配備了用于網(wǎng)絡(luò)連接的以太網(wǎng)、用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用的控制器區(qū)域網(wǎng)靈活數(shù)據(jù)速率 (CAN FD) 以及用于通用連接的 USB 高速/全速接口。該器件還集成了攝像頭接口和八進(jìn)制串行外設(shè)接口 (SPI)，可為外部存儲(chǔ)器進(jìn)行即時(shí)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(gè)采樣和保持電路。RA8M1 支持多種串行通信協(xié)議，包括帶 SPI 的串行通信接口 (SCI)、通用異步接收器/發(fā)射器 (UART) 和內(nèi)部集成電路間 (I2C) 模式。該 MCU 還提供改進(jìn)型內(nèi)部集成電路 (I3C)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和效率。

對(duì)于需要全面訪問(wèn)這些輸入/輸出 (I/O) 功能的開(kāi)發(fā)人員，可使用像 224 引腳 [R7FA8M1AHECBD#UC0] 這樣的球柵陣列 (BGA) 封裝。那些希望印刷電路板（PC 板）設(shè)計(jì)和組裝流程更加簡(jiǎn)化的用戶(hù)，可考慮選用外形扁平的扁平封裝 (LQFP)，如 144 引腳 [R7FA8M1AHECFB#AA0]。

AI 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境

對(duì) RA8M1 系列感興趣的設(shè)計(jì)人員可以從 [EK-RA8M1 R7FA8M]評(píng)估板開(kāi)始（圖 4）。該評(píng)估板包括一個(gè) RJ45 RMII 以太網(wǎng)接口、一個(gè) USB 高速主機(jī)和設(shè)備接口以及一個(gè)三針 CAN FD 插座。在內(nèi)存方面，該評(píng)估板配備 64 MB 的八進(jìn)制 SPI 存儲(chǔ)器。

圖 4：EK-RA8M1 評(píng)估板具有強(qiáng)大的 I/O 支持功能，可用于 RA8M1 MCU。（圖片來(lái)源:Renesas）

RA8M1 由 Renesas [Flexible Software Package] (FSP) 提供支持，F(xiàn)SP 是一種綜合框架，旨在為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可擴(kuò)展、高質(zhì)量的用戶(hù)友好型軟件基礎(chǔ)。

該軟件包提供開(kāi)發(fā)工具，包括基于流行的 Eclipse IDE 的 [e2 studio] 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)。該軟件包還包含兩個(gè)著名的免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：Azure RTOS 和 FreeRTOS。

該軟件包包括了支持嵌入式系統(tǒng)常見(jiàn)用例的輕型生產(chǎn)就緒型驅(qū)動(dòng)程序。這些驅(qū)動(dòng)程序與評(píng)估板相結(jié)合，成為開(kāi)發(fā)人員使用 RA8M1 I/O 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的捷徑。

結(jié)語(yǔ)

RA8M1 為開(kāi)發(fā)人員在邊緣物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)施 AI 和 ML 工作負(fù)載提供了新的選擇，它可以節(jié)省功耗、提高性能、降低復(fù)雜性并縮短上市時(shí)間。

審核編輯 黃宇