RISC-V不可阻挡的势头进一步扩大，新的通用微控制器产品组嵌入了瑞萨电子开发的CPU内核，旨在满足广泛的节能、混合信号应用。

Giancarlo Parodi

Principal Product Marketing Engineer

自2020年10月以来，瑞萨电子正式活跃在RISC-V微控制器领域，并成功推出了两款ASSP产品，分别用于电机控制和语音驱动的HMI系统。现在，通用MCU增强了RISC-V产品组合。这是首款采用瑞萨电子自研开发的RISC-V内核MCU。

R9A02G021通用微控制器具有模拟和数字外设的有趣组合，如下图所示。

R9A02G021 RISC-V MCU框图

该器件具有128KB的大容量程序存储器，由于可以支持小块的2KB擦除，并且能够与初始的16KB启动部分交换以实现用户引导加载程序代码更新，因此可以更好地支持在线更新。为了使更新过程更加可靠，闪存屏蔽功能可防止意外擦除，并且可以永久保护。

对于软件IP保密性，闪存读取保护功能允许用户定义一个存储区域来保存程序代码，这些代码只能被获取以供执行，而不能作为数据读出。这有效地创建了一个可执行部分，该部分受到保护，不会受到简单复制的影响。生产控制可以使用唯一ID（在瑞萨电子工厂编程的只读设备唯一序列号）和用户ID（64位用户定义值）来实现。用户ID可以由客户在生产中的隐藏内存区域内编程，并且仅当应用程序映像在用户定义的内存位置中保存特定的“解锁密钥”值时才可读。通过这种方式，您可以确保只有合法应用程序才能访问机密值，该值可以进一步用作身份验证外部代理、生成数据加密密钥等的种子。事实上，嵌入了一个真正的随机数生成器硬件来支持这种简单但有效的用例。

具有16KB片上RAM，可为外设提供数据缓冲空间，并容纳所需的所有应用变量。几乎整个SRAM都受到奇偶校验位的保护，为了增强可靠性，4KB由ECC代码保护，能够纠正单bit和检测双bit错误。这是存储应用关键变量的地方，这些变量需要额外保护，以防止意外的环境变化（例如，永远存在的宇宙辐射粒子）。

应用参数和运行时信息状态可以存储在4KB的非易失性数据闪存中，可以以1KB为单元进行擦除，可当作EEPROM使用。

从系统性能来看，瑞萨电子RISC-V CPU在开源编译器上已经达到了3.27CM/MHz 的出色CoreMark分数，而其他专业工具链甚至可以进一步提高这一分数（请关注未来在EEMBC网站上发布的更多分数）。RISC-V指令集架构（ISA）是优化CPU实现的理想选择，瑞萨电子已经负责添加几个扩展，这对于深度嵌入式系统非常重要。乘法和位操作扩展以及内置的硬件除法器可加快操作速度，因为只需更少的指令即可获得相同的结果。额外的压缩指令进一步有助于减小代码大小、加快执行速度和节省功耗，因为闪存程序获取的数量减少了。

CPU还内置了一个动态分支预测器，该预测器可以观察程序流，并可以选择在分支期间采取的最可能的路径，以便可以在不中断和刷新管道的情况下执行下一条指令；这提高了每个周期的指令总数。结合所有这些CPU功能，用户可以在如此紧凑的设备中开发性能非常高的应用程序。

总体而言，开发了自己的CPU内核使瑞萨电子能够优化实施，完全控制设计选择，并确保未来产品的IP路线图。瑞萨电子在实现微控制器CPU方面拥有丰富的经验。这为客户提供了部署商业上可行产品的保证，并得到了瑞萨电子质量支持，消除了对专有架构的任何担忧。

如果没有足够的I/O接口，原始性能将毫无意义。该器件具有一组平衡良好的模拟和数字外设，可以较低的成本实现混合信号应用，因为许多构建模块已经嵌入到MCU中。例如，在模拟侧，有一个10通道12位A/D转换器（ADC）、一个2通道8位D/A转换器（DAC）、两个比较器和一个片上温度传感器。ADC和比较器可在1.6V至5.5V的整个工作电压范围内使用，ADC还可以输入外部基准电压源，从而轻松适应应用需求。

数字连接部分支持许多协议，如UART、SPI、I2C，甚至还有专用的远程控制接口。电池供电应用具有300nA的出色待机电流消耗，并保留了所有SRAM内容。在这种情况下，应用程序可以在短短4 μs内快速恢复运行，随时准备对外部唤醒事件做出反应。通过实时时钟或内部32位低功耗定时器可实现较长的待机时间。注重可靠性的应用将受益于应用看门狗、第二个独立于时钟的看门狗、CRC单元、时钟监视器和ADC自检逻辑。甚至工作温度都不是问题，因为该设备可以在高达125 °C的温度下不受限制地运行。

从新架构开始从来都不是一件容易的事，尤其是当习惯于使用市场上建立的主导传统架构和专有架构时。至少要投入大量的时间和精力来研究差异的复杂性，而对于我们中间的务实者来说，抓住一些测试平台并配置一个合适的工具环境来探索和尝试事物。正因如此，瑞萨电子提供一套功能齐全的免费工具，让您的体验更加顺畅和轻松。基于Eclipse的e² studio IDE包括一个代码生成器插件、一个基于LLVM的编译器和一个调试环境。开始测试项目所需的所有构建块！您还可以查看许多应用说明，其中已有示例项目，还有更多项目正在开发中。

拿到我们简洁的快速原型板，它确实是理想的硬件平台——成本低廉，可通过传感、显示和连接功能进行扩展。你有一些Pmod™、Arduino或Grove附加模块吗？抓住它们，开始实验吧！板载SEGGER J-Link使您只需一根USB-C连线即可开始测试您的项目。请注意，同一连接还可以支持虚拟UART-CDC通道，因此您可以为应用程序实现调试控制台或控制终端。

FPB-R9A02G021 RISC-V MCU快速原型板的更多内容请到下方链接查看：

在追求创新的道路上，英飞凌（Infineon）再次领导行业，推出突破性的PSoC™ 4000T 微控制器。全球知名的电子元器件授权代理商富昌电子（Future Electronics）现为各类低功耗触控应用，提供具有出色信噪比、防水性能和多模式感应功能的PSoC™ 4000T 系列产品，并限时提供免费开发板申请服务。

PSoC™ 4000T 微控制器扩展了 PSoC™ 4 产品系列 Arm® Cortex-M0®+ 微控制器，采用英飞凌第 5 代高性能 CAPSENSE™ 电容式感应技术。与前几代 CAPSENSE™ 相比，英飞凌的第 5 代 CAPSENSE™ 技术可提供 10 倍的 SNR（信噪比）性能，同时将功耗降低 10 倍。

通过软件和封装兼容性，利用先进的第 5 代 CAPSENSE™ ，PSoC™ 4000T 系列为 PSoC™ 4000 和 PSoC™ 4000S 设计提供了一条简单的升级路径。PSoC™ 4000T 系列支持各种低功耗应用，包括穿戴式、耳戴式和智能连接的物联网设备。

并行处理单元（PPU）是集成在英飞凌AURIX™ TC4x微控制器系列中的协处理器。PPU旨在卸载主CPU的信号处理、滤波和其他数学运算，从而为要求严格的应用程序（例如实时控制、传感器信号处理和轨迹规划等）提供高计算能力和缩短执行时间，并且能支持实现简单的神经网络算法。

 本文将简要介绍PPU的内部结构、功能和应用领域。

1. PPU内部结构

图1.  TC4x微控制器示意框图 

图1是TC4x 微控制器示意框图，图中右上角是PPU的简化结构，由标量核（scalar core），向量核（vector core/SIMD core），一级缓存，及其它系统资源组成。

01）标量核（Scalar Core）：标量核用于执行大量的标量运算，以及任务调度。标量核支持多种算术运算和逻辑运算，还支持硬件浮点运算，从而实现更高的计算效率。另外，标量核提供丰富的硬件功能安全机制，可以辅助实现高功能安全等级的任务。

02）向量核（Vector core/SIMD Core）：向量核是 PPU 的另一个重要功能模块，专门用于执行向量运算。向量核支持多种向量算术运算、逻辑运算和专用信号处理，支持整型数和浮点运算，从而实现更高的计算效率。向量核还支持多级流水线和 SIMD（single instruction multiple data，单指令多数据）指令，对不同数据同时执行同样的操作，通过并行执行多个向量运算来提高效率。

03）一级缓存：一级缓存是PPU用于保存计算输入和输出数据的存储空间。由于结构上和运算核紧密耦合，该缓存可以在PPU 的执行过程中对状态进行快速读写，并且有EDC/ECC保护，从而实现更高的执行效率和更高的可靠性。

04）其它系统资源：包括用于快速数据搬运的DMA，共享内存区等等。

2. SIMD 和VLIW指令 

2.1 SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令

SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令是一种并行指令，可以同时对多个不同数据进行相同的操作。这种指令可以大幅提高计算效率，特别是在执行向量运算时效果更为明显。

PPU 的 SIMD 指令集包括多种运算指令，如数学运算、逻辑运算等。这些指令都是并行指令，可以同时对多个数据进行操作，从而大幅提高计算效率。例如，PPU 的 SIMD 加法指令可以一次性对多个数据进行加法运算，从而实现更高的计算速度。

下面是一个示例，假设有两个向量 A 和 B，每个向量包含 16 个 16 位整数 ，要计算 A 和 B 的和。如果使用不支持SIMD指令的标量核，代码示例如下，需要进行16次循环运算，将不同的A[i]、B[i] 数据依次顺序进行加法操作，相当费时。

而如果使用支持SIMD指令的 PPU进行运算，则可以一次完成，假设PPU位宽是256bit（=16*16bit）:

由此可见，支持SIMD指令的PPU在进行向量运算时，通过降低同样运算的处理次数，从而有效节省运算时间，提高处理效率。

2.2 VLIW（Very Long Instruction Word）指令

VLIW（Very Long Instruction Word）是一种处理器的并行架构，允许在单个时钟周期内，由处理器的不同部件同时执行多个操作。

例如，如果要执行两个复向量A和B的乘法 ，结果存储在向量C中。

C语言实现如下：

如果在标量核上运算，会顺序执行下列代码，并循环多次：

PPU内的向量核有三个处理单元，包括两个浮点运算器，和一个读取/存储部件用于将RAM中的数据搬运到核内寄存器。这三个部件可以同时运行，形成指令层面的并行机制，从而实现VLIW指令。

上列代码由PPU处理，可以将第4和第5行的乘法运算分别分配给两个浮点运算器同时处理，如下红框所示。而在下个指令周期内，第7，8，9行的指令可以分配给三个部件同时处理，如下蓝框所示。从而将原先需要12条指令周期运行的代码缩短到9条（12-1-2=9）指令周期，提高执行效率。

3.  应用场景

PPU适用于不同应用场景，图2 列出了三种较常见的算法。第一种是将时域信号转变为频域信号，以提取频率信息的快速傅里叶变换（FFT）。FFT 在数字信号处理中得到了广泛的应用，如音频信号处理、毫米波雷达信号处理等。

图2. PPU实现的算法

第二种是多层感知算法，它是一种基于人工神经网络的机器学习算法，可以用于分类、回归和模式识别等应用。MLP 由多个神经元组成，每个神经元都包含多个输入和一个输出。MLP 通过学习输入和输出之间的映射关系，从而实现对新数据的预测和分类。MLP 在机器学习和数据挖掘中得到了广泛的应用。除此之外，MLP 还可以用于控制和优化问题。例如，MLP 可以用于控制系统和过程控制，如传感器信号处理分类、辅助驾驶、自动驾驶等。

第三种是卡尔曼滤波，该算法是一种基于状态空间模型的滤波器，可以用于估计未知变量的状态和参数。卡尔曼滤波通过利用系统的动态模型和传感器的观测值，递归地对状态进行估计和预测，从而实现对系统的状态进行优化和控制。卡尔曼滤波在自动控制和信号处理中得到了广泛的应用，例如，卡尔曼滤波可以用于目标跟踪、路径规划算法等。

4. 开发工具

新思科技（Synopsys）为PPU提供了丰富的开发工具资源【1】，包括Metaware编译器及软件组件，下列表格列出了相关工具组件：

表1. 新思科技提供的PPU工具组件

上述PPU开发工具链，除了新思科技可提供外，Hightec 在提供TC4x TriCore™ CPU编译器的同时，也集成了Metaware编译工具，及相关软件组件【2】，形成完整的TC4x开发环境工具链。该工具链符合ISO26262 ASIL D，能帮助客户实现快速、可靠、高功能安全等级的基于TC4x微处理器的汽车软件开发。

此外，Tasking也开发了PPU的编译器，并集成在新的SmartCode开发环境中。

5. 总结

总的来说，PPU是一个性能强大的处理器，内部包含标量核、向量核、一级缓存和其它系统资源 等，可以实现高速数字滤波、向量矩阵运算、浮点运算、简单的神经网络等，为要求严格的实时计算应用提供了显着的性能优势。PPU为Tricore 主核卸载了复杂的信号处理和数学运算，使得执行时间更快，而其高可配置性和专用硬件资源使其非常适用于各种应用程序。使用户有更多选择余地，使用不同核构架实施不同性质的运算。

参考文献：

`Synopsys ARC MetaWare Toolkit for Infineon AURIX TC4x’

进一步丰富TXZ+™族高级系列的M4K组，将代码闪存扩充至512 KB／1 MB

新旗舰产品，超低功耗，物超所值

服务多重电子应用领域、全球排名前列的半导体公司意法半导体(STMicroelectronics,简称ST;纽约证券交易所代码:STM)发布了注重节能降耗和成本效益的新一代微控制器。与上一代产品相比，新一代能耗降低高达50%。高能效可以减少电池更换次数，最大限度降低废旧电池的环境影响，让更多设计人员选用无电池设计，采用太阳能电池等能量收集系统给设备供电。

当前全世界都在寻求可持续发展，智能建筑和物联网(IoT)技术是提高能源和资源管理效率的重要手段。智能建筑和物联网(IoT)离不开智能传感器和执行器。意法半导体微控制器是智能传感器和执行器的重要组件，负责管理数据采集、过滤、分析和行动决策过程，并与云端高级应用通信。目前全球有数十亿这样的MCU在运转，随着智慧生活工作不断发展，未来还需要数十亿颗类似的芯片。

意法半导体通用MCU部门总经理Patrick Aidoune解释道：“这些无处不在的设备尽可能少用电量是非常重要的，因为这有助于最大限度地减少在其他地方浪费的电能。今天推出的STM32U0新系列微控制器把这个概念提升到了一个新的层级，采用我们的成熟的超低功耗技术，耗电量非常小，在工业传感器管理等小体积专用设备内，使用相同容量的电池，这款MCU可将电池续航时间延长一倍。因此，开发者可以为各种工业、医疗和消费设备增加更先进的功能，提供具有成本效益的解决方案。”