本白皮書針對包括Helium在內的Arm8.1-M架構許多強化處，提供綜述。
Armv8.1-M架構是什么？
Armv8.1-M是Armv8-M 架構的延伸，包括下列許多功能：
◆名稱為Helium的全新向量延伸指令集
◆針對回路與分支的額外指令集強化 (低負擔分支延伸) 半精度浮點支援的指令
◆針對浮點單元(FPU) TrustZone 管理的指令集強化記憶體保護裝置(MPU)內全新的記憶屬性
◆除錯的強化，包括效能監(jiān)視單元(PMU)、非特權除錯延伸，以及專注在信號處理與應用開發(fā)的額外除錯支援
◆可靠性、可用性與可服務性(RAS)的延伸
最后，此架構針對不可預測案例的規(guī)格，也已經完成清理。
M-Profile Vector Extension (MVE)是一個可以帶來更高信號處理能力的任選的架構延伸。供Arm Cortex-M處理器使用的MVE，則稱為Helium。
Helium:
MVE是一個可以帶來更高信號處理能力的任選的架構延伸。供Arm Cortex-M處理器使用的MVE，則稱為Helium。
Neon是針對A系列處理器的架構延伸，包括Arm Cortex-A與Neoverse，它可以賦予高效能的先進SIMD技術。
Helium與Neon雖然有類似之處，但Helium是從最基礎重新展開的新設計，可以為小型處理 器帶來高效的信號處理效能。它提供許多新的架構功能，可以強化嵌入式使用案例的計算效能，原因是它針對區(qū)域與電力進行優(yōu)化，可為M系列架構帶來Neon的能力(針對Cortex-A的SIMD指令)。
◆128-位元向量大小
◆使用浮點單元中的暫存器，成為向量暫存器
◆Helium 與Neon都可以使用某些向量處理指令
◆Helium設計上用來將所有可用之硬體的使用極大化，且與Neon相比，使用較少的向量暫存器
◆某些Helium的運作同時利用向量暫存器，以及純量暫存器庫中的暫存器
◆與Neon相比，Helium支援更多的資料類型
◆Helium 支援許多新功能，如回路預測、巷道預測、復雜數學與分散-集中記憶存取
◆省略Helium選項 – 具備任選純量FPU (雙倍精度支援性也可任選)的Armv8.1-M整數核心
◆只支援向量整數的Helium，并具有任選的純量FPU (雙倍精度支援性也可任選)
◆具有向量整數+浮點(支援向量單倍精度與半精度)的Helium，并具備純量FPU(雙倍精度支援性也可任選)
有鑒于Helium涵蓋的指令數量極為龐大，這份檔案里不可能全部交代。以下是除了向量處理能力以外的一些精華部份：
◆交錯與去交錯載入與儲存指令(VLD2/VST2 的跨步為2；VLD4/VST4 的跨步則為4)
◆向量集中載入與向量分散儲存–向量暫存器中的元件記憶體存取，且向量中每個元件都 有定址位移，并使用另一個向量暫存器的元件加以定義。這可以讓軟體應付任意的記憶體存取型樣，并可用來模仿常使用在信號處理、諸如循環(huán)定址等特別的定址模式。它也可以在各種資料處理任務中，協(xié)助加速陣列資料元件的非順序存取。
◆向量復合值處理支援整數(8位元、16位元與 32位元) 與浮點(32位元) – 例如 VCADD、VCMUL、VCMLA 指令。
◆巷道預測– 這部份將在后面談到
◆位元整數支援–這部份將在后面談到
為了降低處理器的面積與耗電，系統(tǒng)會再度使用FPU中的暫存庫來進行向量處理：
Helium的整數支援，可以讓8位元、16位元與32位元的定點資料計算效率更高。 16與32位元 定點格式，在傳統(tǒng)信號處理應用中使用相當廣泛，譬如音效處理。 8位元的定點格式對于機器學習處理可能相當重要，例如神經網路計算，以及影像處理。
Armv8.1-M處理器結合Helium與新型的低負擔分支延伸后，信號處理的效能與使用Armv7-M 與Armv8.0-M內的傳統(tǒng)SIMD指令集相比，好上好幾倍，同時可以讓處理器尺寸不致于過大，同時保有優(yōu)異的能源效率。
Helium 可以讓Arm Cortex-M 處理器解決下列(但不局限于)計算上的挑戰(zhàn)：
◆音響設備
◆感測器集線器(感測器融合)、情境集線器(環(huán)境感測)以及穿戴式裝置
◆關鍵字萃取及語音命令控制
◆電力電子學與控制 (信號處理)
◆通訊(如窄頻物聯(lián)網)
◆靜止圖像處理(如相機)
有了Helium許多之前使用帶有專屬DSP的Cortex-M處理器的應用,就可以將兩套處理器系統(tǒng)整并成單一處理器。
有了Helium，許多之前使用帶有專屬DSP的Cortex-M 處理器的應用，就可以將兩套處理器系統(tǒng)整并成單一處理器。這樣做有許多優(yōu)點：
◆簡化軟體開發(fā)--僅需要單一的工具鏈與單一架構，降低兩套處理器系統(tǒng)間溝通的軟體負擔。
◆降低晶片設計的復雜性-僅需單一記憶體系統(tǒng)，因此可以帶來更快的單晶片系統(tǒng)設計周期，并降低成本。
也有可能取代嵌入式系統(tǒng)中，某些舊有的分立DSP產品：
◆Cortex-M處理器具有眾多各式各樣功能，與許多舊有DSP相比，可以用更高的效能執(zhí)行一般非DSP的工作負荷。
◆Cortex-M處理器的高程式碼密度，讓替換此類DSP時，可以降低系統(tǒng)成本。
Helium 功能– 巷道預測:
Helium包括MVE功能，可為向量中的每個巷道提供條件式執(zhí)行。此一優(yōu)化的機制，稱為巷道 預測。為了要開啟此一功能，必需加入稱為向量預測狀態(tài)與控制暫存器(VPR)的新型、特殊用途暫存器，以便為每個巷道保持原有條件。此一暫存器內部的預測條件，會透過如向量比較(VCMP)等向量運作，進行更新。在設定完成條件旗標后，向量預測 (VPT)/向量預測集 (VPST) 指令可在次序列向量指令內，為每個巷道設定條件式執(zhí)行(向量預測塊最高達4個指令，類似IF-THEN指令塊)。
VPR的狀態(tài)會使用位于延伸異常堆疊框內的一個保留字，以異常事件自動進行儲存與復原。
Helium 功能–大整數支援:
為了發(fā)揮128位元向量暫存器的最大功能，Helium同時也導入以MVE定義的大整數處理指令(VADC、VSBC 與VSHLC)，它們可以與128位元、或更高的整數資料類型，一起鏈接運作。
低負擔分支延伸:
為了讓信號處理效率更高，Armv8.1-M導入低負擔回路與額外的分支指令。簡單的回路結構從WLS(while-loop-start)指令開始，它會規(guī)定回路數與branch back位址，而此回路結構在回路結束(LE)指令出現時結束。
回路第一次執(zhí)行時，WLS與LE指令都會執(zhí)行，而回路位址則快取在處理器內，至于次順序回路疊代則不必再次執(zhí)行這兩個指令。回路計數由鏈接暫存器(LR/r14)與回路出口處理，同時 回路計數器則達到零。
倘若在低負擔回路期出現中斷，此回路的位址快取將會清除掉，而LE指令則在完成中斷服務常式(ISR)回來后，重新執(zhí)行。
把處理精度由單倍精度改為半精度后,處理器利用Helium技術,在同樣期間內可以處理兩倍的資料量。
除了while-loop-start(WLS)，另外還有類似的do-loop-start(DLS)指令。 do-loop總會執(zhí)行回路本體的第一個疊代，但while-loop在條件沒有被滿足時，會在第一個疊代前跳至回路的最后。
另外還有一個可以帶來回路尾預測的低負擔回路指令(WLSTP與DLSTP)-倘若資料處理任務需要在N要件上執(zhí)行，而N不是向量巷道寬度的倍數(例如，倘若要處理的元件是32位元，Helium每個向量指令可以處理四個巷道的元件)，那么回路尾預測會讓最后的回路疊代， 用條件式執(zhí)行機制處理剩下的元件，而不會處理其它東西。使用WLSTP/DLSTP時，具備尾預測的回路結束(LETP)，必須用來標示此回路的結束。WLSTP與DLSTP要標示處理中向量元件的大小時，必須要有尾置，且LR里的值包含要處理元件的數量，而不是回路的數量。
如果必要的話，一個稱為清除尾預測回路(LCTP)的額外指令，可以讓帶尾預測的低負擔回路提早終止。
不管Helium有無落實，WLD、DLS與LE指令都可用。回路尾預測指令(WLSTP、DLSTP與 LETP) 都需要Helium這個選項。另外還有導入Armv8.1-M架構的額外分支微量指令，它們可以利用低負擔回路導入的硬體，以便賦予更佳的分支效能。
其它Armv8.1-M 主線延伸強化：
Armv8.1-M 導入許多條件式的執(zhí)行指令：
◆CINC–條件式增量
◆CINV– 條件式反轉
◆CNEG–條件式否定
◆CSEL–條件式選擇
◆CSET–條件式地將暫存器設為1
◆CSETM–條件式地將暫存器中的所有位元數設為1
◆CSINC–條件式選擇/增量
◆CSINV–條件式選擇/按位元反轉
◆CSNEG –條件式選擇/否定
Armv8.1-M 也新增加：
◆64位元算數與邏輯移位指令 (ASRL、LSLL、LSRL + 飽合/ 帶舍入 變體)，這些指令中某些的平分變體也可用
◆帶正負與無符號舍入/32位元與64位元資料的飽合移位指令
◆這些唯有當Helium落實時，才可用。
浮點處理強化：
正如同Armv8.0-M架構，Armv8.1-M支援任選純量單倍精度(32位元)與雙倍精度(64位元)浮 點計算(支援所有FPv5指令)。此外，Armv8.1-M也支援：
◆任選純量半精度(16位元) 浮點
◆任選向量半精度 (16位元) 浮點 (Helium的一部份)
◆任選向量單倍精度 (32位元) 浮點(Helium的一部份)
半精度浮點支援，對于關鍵字萃取與語音命令控制應用的音訊預處理，相當有幫助。在這些應用中，音訊不需要很高的解析度，但卻非常需要良好的動態(tài)范圍支援。把處理精度由單倍精度改為半精度后，處理器利用Helium技術，在同樣期間內可以處理兩倍的資料量。使用半精度浮點格式，也可以幫助減少資料所需的記憶體大小需求(例如：過濾器系數)。
安全相關的強化– FPU 上下文保存/復原:
Armv8.0-M導入TrustZone安全延伸，可以讓新世代的保全解決方案在低成本、低電力嵌入式系統(tǒng)上，利用Cortex-M處理器實施。 Armv8-M的TrustZone最關鍵的特性之一，就是它可以允許安全軟體(受保護的環(huán)境)與非安全軟體(一般環(huán)境)彼此間進行高效、直接的函數呼叫，而Armv8.1-M則持續(xù)在此一領域增加更多的強化。為了支援Armv8-M使用的TrustZone，Arm C語言延伸(ACLE)為需要的各種C語言編譯器功能進行定義，也就是Cortex-M安全延伸。需求之一，就是當非安全軟體呼叫安全API時，安全的函數結尾(安全API結尾插入C語言編譯器的編碼)需要清除浮點數控制與狀態(tài)暫存器(FPSCR) 里的內容，以避免資料外泄至非安全方。這對安全固然很好，但對于非安全軟體也可能帶來問題，特別是有關ABI相容性-FPU組態(tài)的可能改變(例如：舍入模式組態(tài))。
Armv8.1-M則增加了此一指令集的強化，以允許安全API導言的非安全FPSCR狀態(tài)(FPCXT_ NS)的上下文保存，以及結尾的上下文復原。強化的指令，包括FPU記憶體存取指令 (VLDR與VSTR)以及FPU暫存器存取指令(VMRS與VMSR)。要利用此一新功能，必須更新A與C語言的 編譯器。也因此，Armv8.1-M為了清除暫存庫(CLRM與VSCCLRM)里的上下文，也增加了新的 指令。
安全相關的強化– MPU的Privileged eXecute Never (PXN) 屬性:
另一個安全強化，則位于記憶體保護裝置(MPU)里面-一個名為特權永不執(zhí)行(PXN)的新MPU 區(qū)域屬性。倘若MPU區(qū)域擁有PXN屬性集，且處理器試圖執(zhí)行里面帶有特權層級的程式碼， 記憶體管理故障例外則會被觸發(fā)，而MemManage Fault狀態(tài)暫存器里的IACCVIOL位元數， 也會設成1。
PXN的屬性位元，在MPU_RLAR (區(qū)域限制位址暫存器)以及其別名暫存器的第四位元內。保全與非保全MPU都可取用，且此一位元之前在Armv8.0-M環(huán)境中，被固定為0。 .
PXN的屬性位元，在MPU_RLAR(區(qū)域限制位址暫存器)以及其別名暫存器的第四位元內。安 全的與非安全的MPU都可取用，且此一位元之前在Armv8.0-M環(huán)境中，被固定為0。
對于具有各軟體商提供之安全韌體元件、并擁有TrustZone功能的系統(tǒng)，這個功能特別有用。在那些案例中，部份的安全韌體元件可能不能完全信任，且必須限制成只能非特權執(zhí)行。倘若如此系統(tǒng)實施Armv8.0-M，非特權軟體元件必須不能被允許擁有可以從非安全狀態(tài)呼叫出來的自己的安全入口點，因為這些軟體元件如果從非安全處置器模式直接呼叫出來，會在特權狀態(tài)下執(zhí)行。也因此，入口點必須進行安全檢查且分開實施，但這也會增加軟體的負擔。有了在Armv8.1-M環(huán)境下可用的PXN屬性，這些非特權軟體元件都會有自己的安全API入口點， 而且只有當API被非安全處置器呼叫，MemManage訛誤例外處置器才會攔截，并將處理器切 換至非特權狀態(tài)，以便讓保全的API可被執(zhí)行。
安全相關的強化 – 非特權除錯延伸：
對于具有第三方提供的安全軟體庫的系統(tǒng)，有些情況下軟體開發(fā)人員可能必須針對非特權軟體庫進行除錯，但他可能并未取得其它安全韌體元件商的充份信任。在Armv8.0-M環(huán)境中，倘若安全除錯功能開啟，軟體開發(fā)人員不管是特權或非特權軟體，都擁有完整的除錯存取，但在這個案例中，這卻是我們不想要的。盡管限制除錯存取是可能的(安全的特權軟體， 可以使用具有如CoreSight SDC-600等溝通管道除錯監(jiān)視器，以便對安全的非特權人員提供有限的除錯存取，而毋需透過除錯存取埠來提供完整的安全除錯存取)，但這需要更多的軟體負擔。
Armv8.1-M透過非特權的除錯延伸，提供全新的除錯賦能機制模式。當安全除錯功能關閉后， 安全的特權軟體可透過除錯鑒別控制暫存器(DAUTHCTRL)，允許非特權的除錯延伸。
在應對數個安全韌體庫時，對應安全世界(例如：PSA中的安全的分區(qū)管理員)上下文交換的安全特權軟體，在不同的上下文切換時，應該針對DAUTHCTRL暫存器進行程式撰寫。例如，在下列的圖表中，軟體開發(fā)人員針對所有的非安全軟體與X程式庫(兩者皆為安全但非特權)，擁有除錯存取權。處理器在運行此軟體時，停機要求是可以被接受的，但在運行程式庫管理員或Y及Z程式庫時則不行。
當處理器正在運行并具有非特權的除錯延伸，當前的安全狀態(tài)(除了處理器內部某些除錯元件)的記憶體除錯存取會被阻擋下來；但當非特權的除錯功能開啟，且處理器于非特權狀態(tài)下 停機時(DAUTHCTRL的UIDEN位元設為1)，存取則會被允許。當非特權除錯于當下狀態(tài)下使 用時，除錯存取也會與該狀態(tài)中的MPU許可進行交互檢查。根據圖表中的范例：
◆軟體開發(fā)人員可以存取非安全的記憶體，并在處理器處于非安全狀態(tài)下，中止其運行。
◆唯有當處理器在運行X程式庫(DAUTHCTRL由上下文交換的程式庫管理員設定組態(tài))時，
◆軟體開發(fā)人員才可以中止處理器，并且可以存取可透過X程式庫存取的記憶空間 (許可則依據安全MPU)。
對于安全與非安全世界(DAUTHCTRL內UIDEN與UIDAPEN的位元，則在兩個保全狀態(tài)間排成一行)，非特權的除錯延伸都可用。若要支援非特權除錯，除錯工具與程式庫管理員必須進行更新。不過，非特權除錯是除錯架構的延伸，且既有的除錯功能(當舊有的鑒別控制信號已打開)，并不受影響。
除錯強化 – 效能監(jiān)視單元 (PMU):
在Armv8.1-M環(huán)境下，資料監(jiān)視點與追蹤(DWT)獲得延伸，以便支援效能監(jiān)視單元(PMU)功 能，這跟在Cortex-A處理器上出現的情況一樣。這可以允許先進的設定表示功能，包括分析快取命中/未中的能力。之前的設定表示功能仍然可用，但若要讓軟體開發(fā)人員可以發(fā)揮架構的最大功能，除錯器需要進行更新。
請注意，PMU使用與DWT分離、且不同的位址空間，不過設定表示計數器雖然實體上相同(位 址別名)，但除錯工具不能同時使用PMU與舊有的DWT的設定表示。
除錯強化 – 信號處理應用功能：
Armv8.1-M同時也包括數個除錯架構的強化，更進一步強化信號處理應用的除錯效率。這些包括：
◆帶有位元遮罩的資料監(jiān)視點，以便進行價值匹配。對于偵測信號范圍，特別有用。
◆帶有計數器的斷點–斷點只有在到達特定的某些計數值后才會觸發(fā)(停止)。當數位濾波器穩(wěn)定后，這對于想要停止處理器，可能特別有用。
信賴度、可用性與可服務性(RAS)的延伸:
RAS延伸在Armv8-A架構下的Cortex-A處理器上已經推出。 RAS是一套系統(tǒng)可靠性的三個面向：
◆可靠性、正確服務的持續(xù)
◆可用性、正確服務的備妥狀態(tài)
◆可服務性、可進行修改與維修的能力。 RAS的延伸需求，原本來自伺服器/企業(yè)應用–RAS 技術降低非計劃中斷，原因是：
◎在造成應用或系統(tǒng)失效前，暫態(tài)誤差可被檢測出來，并進行改正
◎可找出故障的元件，并進行替換
◎故障可以事前預測，以便在計劃性保養(yǎng)時進行更換
Cortex-M處理器雖然大多部署于嵌入式與汽車等應用，但汽車與工業(yè)使用的功能性安全需求，也讓RAS成為次世代Cortex-M處理器順理成章的選擇，而RAS的許多技術也在功能性安全層面上有所裨益。
對于與Armv8.1-M一起設計的處理器，RAS延伸則涵蓋：
◆增加了錯誤同步屏障(ESB)指令
◆錯誤報告暫存器 (例如：Error Corrected Code快取的錯誤)
◆匯流排介面強化，例如匯流排轉移完整性檢查的同位或錯誤校正碼(ECC)信號，以及匯流排介面的毒化信號
Armv8.1-M同時也包括數個錯架構的強化,更進一步強化信號處理應用的除錯效率。
毒化信號對于嵌入式處理器，是全新的功能。其中之一共用的使用案例，就是處理資料快取中的毀壞資料：
1.快取列毀損(例如：因為電壓不穩(wěn)定)。倘若錯誤超過一個位元，當位于毀損快取列的資料正在使用時，ECC將無法修正錯誤。
2.稍后，快取列出現移出，這會沖洗掉已毀損的資料。 ECC錯誤在此階段會被偵測出，并觸發(fā)匯流排上的毒化側頻帶信號出現判斷提示。此毒化狀態(tài)將保存在記憶體系統(tǒng)中。在這個階段，故障例外不會發(fā)生。
3.當資料(帶有毒化狀態(tài))被處理器讀取(可能是另一個處理器，或是系統(tǒng)上不同的匯流排主 控器)，此毒化資訊會跟著傳送，并在處理器上觸發(fā)一個錯誤例外。
此一方式，有好幾個優(yōu)點：
◆倘若毀損的資料沒有被任何匯流排主控器使用(例如：隨后被其它資料覆寫)，就沒有必要觸發(fā)錯誤例外。
◆當資料正在使用、且與遭受影響的應用出現同步，錯誤例外則會被觸發(fā)，倘若毒化信號不可用，此例外必須在快取列移出時觸發(fā)，且處理器可運行完全不相關的應用，這會讓判斷哪一個應用受到影響，變得相當困難。
RAS延伸的使用，同時也可以在Cortex-M與Cortex-A處理器之間，帶來更佳的一致性；這對于必須應付具有Cortex-A 與Cortex-M等異質多處理器系統(tǒng)的錯誤情況的軟體，是一個優(yōu)點。
軟體遷移至Armv8.1-M：
Armv8.1-M 處理器保有Arm Cortex-M 處理器之前具有的關鍵特性，包括：
◆使用簡單
◆快速且確定性的中斷回應時間
◆針對低耗電嵌入式應用完成優(yōu)化
既有的Armv8-M軟體也可以在Armv8.1-M上運作，這讓軟體遷移相當簡便。就跟Armv8.0-M一樣，Armv8.1-M支援TrustZone安全延伸，可以解決已連接之產品如物聯(lián)網裝置的安全需求。
為了要利用這些新功能，需要各種相關的軟體更新：
◆C語言編譯器–編譯器(與binutils)需要進行更新，以便支援新的指令。 Arm C語言延伸 (ACLE)需要為新的指令導入新的內在函數。保全API的導言與結尾，也應該加以強化，以便非保全FPCXT的保存與復原。編譯器販售商也可增加先進優(yōu)化，以便利用低負擔回路、新指令，并對可以運行Helium的系統(tǒng)提供自動向量化的潛在支援。
◆除錯工具–除錯器需要進行更新，以支援新功能，以及新的架構暫存器(例如VPR)。
◆RTOS–為了利用如新的MPU屬性等新的安全功能，作業(yè)系統(tǒng)需要進行更新。倘若裝置需要非特權除錯，我們同時也必須進行額外的更新，以便支援此一功能。
◆供Armv8-M使用的Arm信賴韌體–這需要進行更新，以便支援新的PXN MPU屬性與非特權除錯延伸。
◆應用程式碼–新的CMSIS-CORE與CMSIS-DSP程式庫將可取用。強化的CMSIS-DSP程式 庫將利用Helium指令集，提供顯著的效能提升。
Helium生態(tài)系統(tǒng)具有廣泛的可用工具與軟體程式庫,可以帶來快速且低風險的開發(fā)。
AArmv8.1-M包括許多新的強化與優(yōu)點。對于Armv8.1-M最重大的新增點，是M系列向量延伸(MVE)。 Helium是供Arm Cortex-M系列使用的M系列向量延伸，它可以為小型、嵌入式應用帶來高效的信號處理與機器學習。它可以讓原本需要兩個處理器的情況，整并成只需一個單一晶片系統(tǒng)，并降低復雜性與成本。
Armv8.1-M包含其它對指令集、除錯功能的強化，并提升嵌入式系統(tǒng)的可靠性。此外，此架構具有內建TrustZone安全，設計上符合平臺安全架構 (PSA)規(guī)格。
Helium生態(tài)系統(tǒng)具有廣泛的可用工具與軟體程式庫，可以帶來快速且低風險的開發(fā)。
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