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2019年02月15日 | Arm Helium技术—提升机器学习能力与信号处理性能

2019-02-15

Arm Helium技术作为一种全新的M-Profile Vector Extension矢量扩充方案，能为Armv8.1-M架构带来经过强化的计算能力
新架构能够将最小型边缘设备的机器学习能力提升15倍，以及将信号处理性能提升5倍
新架构针对下一代Cortex-M处理器而设计，适用于需在本地进行决策的小型嵌入式设备

Arm宣布针对其下一代Armv8.1-M架构推出基于M-Profile Vector Extension (MVE)矢量扩充方案的Arm Helium技术。这一全新技术能够帮助开发者简化软件开发流程，并显著提升未来Cortex-M系列处理器的机器学习能力与信号处理性能。

业界正在加速推动创建一个拥有万亿互联设备的世界，而要实现这一愿景，我们必须找到行之有效的方法来扩展网络边缘众多受限设备的计算能力。通过提升这些设备的计算能力，开发人员能够直接为设备编写机器学习(ML)应用程序，并在设备本地实现自主决策，从而在提高数据安全性的同时，降低网络能耗、延迟和带宽使用量。

为达成这一目标，Arm推出Arm Helium技术，该技术针对Arm Cortex-M系列处理器设计，在Arm TrustZone的安全基础上，通过M-Profile Vector Extension矢量扩展加强Armv8.1-M架构的计算性能。Helium将为未来的Arm Cortex-M系列处理器提供高达15倍的机器学习性能提升和高达5倍的信号处理性能提升，消除因性能挑战造成的对低成本、高能效设备的使用限制，从而为我们的合作伙伴带来全新的市场机遇。

下一级计算性能

先进的数字信号处理(DSP)可通过 Arm Neon 技术扩展至更多Cortex-A架构组件中。针对功能受限的应用，Arm还在其较高性能的Cortex-M处理器系列(包括Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M33以及Cortex-M35P)中加入DSP扩展方案。这两种技术都可用来加速特定应用的机器学习计算。

针对功能最为受限的嵌入式系统，功耗效率是优先考虑的因素，以往的解决方案将Cortex处理器搭配SoC芯片内的DSP处理器，但是这种作法也增加了硬件与软件设计的复杂性。当我们希望在这些设备上集成更多机器学习功能时，现有的SoC开发挑战将变得更加突出，因此在运用不同的工具链、编程、调试以及使用各种复杂的专有安全解决方案时，需要开发人员拥有更高水平的专业知识。

搭载Helium技术的Armv8.1-M 架构能克服上述难题，不仅能够提供实时控制程序代码、机器学习与DSP执行能力，而且效率丝毫不减。由此，数百万软件开发人员将能够运行各种DSP功能，安全无虞地扩展各种智能程序到种类更广泛的设备，强化对三种关键类别新兴应用的信号处理支持：震动和运动、语音和声音、以及视觉和图像。新一代搭载了Helium技术的Cortex-M架构SoC将改进未来各种设备的用户体验，包括传感器中枢设备(sensor hub)、可穿戴设备、音频设备、工业应用等。

除提升性能、降低开发成本之外，SoC设计和开发团队还将立即获得以下优势，包括：

通过功能整合，优化成本、功耗以及设计投入

利用 Armv8.1-M的设计遵循平台安全架构(PSA)规范的特点，实现简化的TrustZone部署

单一工具链涵盖控制与信号处理软件的开发

简化的软件开发，得益于成熟的 Helium生态系统所提供的完善的工具、模型和库，其中许多资源已被Cortex-M开发者广为使用

简化软件开发流程

由于Helium拥有统一的工具链、库和模型，软件开发将变得更加简单。 Helium工具链包括Arm Development Studio，涵盖Arm Keil MDK、Arm模型(开发人员可立即使用，用于代码建模)和各种软件库，包括CMSIS-DSP和CMSIS-NN，允许开发人员根据他们的需求选择最合适的资源。对于信号处理应用，我们通过消除对专用DSP或功能加速器的需求以及免去了一层设计复杂性，使之更加简化。

驱动下一代嵌入式和物联网设备

Helium将Arm Project Trillium计划的价值带到各种机器学习应用中，让框架与库的支持能力向下延伸到硬件层面。由于SoC开发者必须在不同的性能、芯片面积、功耗以及成本等限制下开发适合的方案，因此没有单一的产品能满足所有应用的需求。

Arm Helium

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一、电路设计相关问题

如何设计一个简单的27MHz晶体振荡器电路？
- 回答：设计一个简单的27MHz晶体振荡器电路通常包括晶体本身、两个反馈电容、一个或多个电阻以及可能的放大元件（如晶体管或集成电路中的振荡器部分）。例如，可以使用一个并联型晶体振荡器电路，其中晶体与两个电容形成谐振电路，并通过一个放大元件（如CMOS反相器）提供正反馈以维持振荡。具体设计可参考技术资料（如华强电子网）提供的电路图，并根据实际需要进行调整。
如何选择合适的反馈电容和电阻值？
- 回答：反馈电容和电阻的选择对振荡器的稳定性和频率精度至关重要。电容值通常根据晶体的规格和所需的振荡频率来确定，而电阻值则用于限制放大器的增益，以防止振荡器过度放大并产生不稳定现象。选择时，建议参考晶体振荡器的数据手册或相关设计指南，并结合实验测试来找到最佳值。

二、电路性能相关问题

如何减少27MHz晶体振荡器的谐波失真？
- 回答：谐波失真通常是由于电路中的非线性元件或设计不当引起的。为了减少谐波失真，可以采取以下措施：
  - 选择低谐波失真的晶体振荡器。
  - 在电路中添加低通滤波器以滤除高频谐波。
  - 优化电路设计，减少非线性元件的使用，并确保电路元件的匹配性。
如何提高27MHz晶体振荡器的频率稳定性？
- 回答：频率稳定性受多种因素影响，包括晶体的物理特性、环境温度、电源电压波动等。提高频率稳定性的方法包括：
  - 选择高质量的晶体振荡器，确保其具有较低的频率漂移和温度系数。
  - 在电路中添加温度补偿电路，以抵消温度变化对频率的影响。
  - 使用稳定的电源电压，并在必要时添加电压稳压器。
  - 优化电路布局和接地设计，减少电磁干扰和噪声。

三、电路调试与测试相关问题

如何调试27MHz晶体振荡器电路以确保其正常工作？
- 回答：调试晶体振荡器电路时，可以按照以下步骤进行：
  - 检查电路连接是否正确，确保所有元件都已正确安装。
  - 使用示波器观察振荡波形，确认其频率和幅度是否符合要求。
  - 调整反馈电容和电阻值，以优化振荡器的性能和稳定性。
  - 检查电源电压和电流是否稳定，并调整至推荐值。
  - 如果发现谐波失真或其他问题，根据具体情况采取相应的解决措施。
如何测试27MHz晶体振荡器的输出频率和相位噪声？
- 回答：测试晶体振荡器的输出频率和相位噪声通常需要使用专业的测试设备，如频率计和相位噪声分析仪。测试时，将振荡器的输出连接到测试设备的输入端，并设置适当的测试参数。通过测试设备可以准确测量振荡器的输出频率和相位噪声水平，从而评估其性能是否符合要求。

四、其他常见问题

27MHz晶体振荡器适用于哪些应用场景？
- 回答：27MHz晶体振荡器由于其较高的频率和较好的稳定性，广泛应用于无线通信、雷达系统、电子测量仪器等领域。在这些应用场景中，晶体振荡器作为时钟源或频率基准，为系统提供稳定的频率信号。
如何延长27MHz晶体振荡器的使用寿命？
- 回答：延长晶体振荡器的使用寿命需要注意以下几点：
  - 避免在极端温度或湿度条件下使用。
  - 保持电源电压稳定，避免频繁波动。
  - 定期检查电路连接和元件状态，及时更换损坏的元件。
  - 避免机械冲击和振动对晶体振荡器的影响。
  - 选择质量可靠、性能稳定的晶体振荡器产品。

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