開發Raspberry Pi Pico 2的Arduino程式並比較ARM和RISC-V核心的效能

本文使用的Raspberry Pi Pico 2和Pico 2W開發板由台灣樹莓派Sosorry先生贊助提供，特此感謝！

Raspberry Pi Pico 2和Pico 2W是樹莓派（Raspberry Pi）公司推出，基於RP2350雙核心微控制器的開發板（以下簡稱Pico 2）。RP2350微控制器內部有雙核心的ARM Cortex-M33，以及另一個雙核心的Hazard3 RISC-V，開發人員可以自由選擇採用哪個架構的微控器來執行程式。本文將說明如何設定Arduino IDE 2和VS Code的“Arduino Maker Workshop”（創客工作坊）來開發Pico 2，並且透過執行梅森旋轉（Mersenne twister）演算法的程式比較ARM和RISC-V的效能。

Raspberry Pi Pico 2開發板的USB連接埠

Pico 2開發板的USB預設是大量儲存裝置模式，第一次連接電腦時，會呈現一個名叫“RP2350”的磁碟。

在Windows的「裝置管理員」中，可看到它並未被指派序列連接埠，而是列舉在「通用序列匯流排裝置」底下。

稍後上傳Arduino程式之後，Pico 2的USB介面就會切換為序列通訊模式。

使用Arduino IDE開發Pico 2專案

首先需要在Arduino IDE安裝支援Pico 2的開發板管理員。樹莓派公司沒有提供專門用於Arduino IDE的官方工具，本文採用的Arduino Pico專案是由Earle F. Philhower和社群人員基於官方Raspberry Pi SDK（支援C/C++語言）建立的開發板管理員，支援所有採用RP2040和RP2350微控制器的控制板，包含樹莓派官方的Pico, Pico W, Pico 2, Pico 2 W。

選擇Arduino IDE主功能表的「檔案→喜好設定」，在「其他開發板管理員網址」欄位，加入這個連結：

https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json

接著，在「開發板管理員」面板查詢關鍵字“pico”，即可找到對應的開發環境：

選擇Pico 2開發板

從Arduino IDE 2的「選擇開發板」選單可看到Pico板的UF2_Board名稱。點擊「選擇其他開發板及連接埠」：

搜尋“pico 2”關鍵字，選取“Raspberry Pi Pico 2”開發板，勾選右下角的「顯示所有連接埠」，然後點選“UF2 Board UF2 Devices”連接埠。

你也可以從「工具」主功能表選擇開發板和連接埠。

用VS Code的“Arduino Maker Workshop”（創客工作坊）開發 Pico 2專案

若使用VS Code的“Arduino Maker Workshop”（創客工作坊）開發專案，請點擊「開發板管理員」，再點擊下方的“ADD URL”（新增URL）。

貼入Pico開發板管理員網址：

按下Save儲存後，螢幕上會出現底下的訊息，請點擊“GO TO NOT INSTALLED TAB”（切換到未安裝標籤頁）。

然後在“Not Installed”（尚未安裝）畫面，輸入“pico”關鍵字，安裝開發板。

安裝完畢後，即可在「選擇開發板」畫面選擇Pico 2開發板。

編譯Pico 2程式

為了比較Pico 2 RP2350微控器內部的ARM和RISC-V的運算效能，此例採用實作梅森旋轉演算法（Mersenne twister）的隨機數生成器“Arduino-IDE-Benchmark”，它有32位元和64位元兩種隨機數字長度版本。底下程式透過測量產生1000筆64位元長度的隨機數所需時間，提供開發人員簡單的處理器效能評估基準。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <time.h>
#include <inttypes.h>
#define N (624)
#define M (397)
#define K (0x9908B0DFU)
#define HighestBit(u) ((u) & 0x8000000000000000ULL)
#define LowestBit(u) ((u) & 0x0000000000000001ULL)
#define LowestBits(u) ((u) & 0x7FFFFFFFFFFFFFFFULL)
#define MixBits(u, v) (HighestBit(u)|LowestBits(v))
static uint64_t state[N + 1];
static uint64_t *nextRand;
static int left = -1;

uint32_t startTime;
uint32_t elapsedTime;

void Seed(uint64_t seed) {
   register uint64_t x = (seed | 1ULL) & 0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL;
   register uint64_t *s = state;
   register int j;
   for (left = 0, *s++ = x, j = N; --j; *s++ = (x *= 69069ULL) & 0xFFFFFFFFFFFFFFFFULL);
}

void Reload() {
   register uint64_t *p0 = state;
   register uint64_t *p2 = state + 2;
   register uint64_t *pM = state + M;
   register uint64_t s0;
   register uint64_t s1;
   register int j;
   if (left < -1) {
      Seed(4357ULL);
   }
   left = N -  1;
   nextRand = state +  1;
   for (s0 = state[0], s1 = state[1], j = N - M +  1; --j; s0 = s1, s1 = *p2++) {
      *p0++ = *pM++ ^ (MixBits(s0, s1) >> 1) ^ (LowestBit(s1) ? K : 0ULL);
   }
   for (pM = state, j = M; --j; s0 = s1, s1 = *p2++) {
      *p0++ = *pM++ ^ (MixBits(s0, s1) >> 1) ^ (LowestBit(s1) ? K : 0ULL);
   }
   s1 = state[0];
   *p0 = *pM ^ (MixBits(s0, s1) >>  1) ^ (LowestBit(s1) ? K : 0ULL);
   s1 ^= (s1 >> 11);
   s1 ^= (s1 << 7) & 0x9D2C5680ULL;
   s1 ^= (s1 << 15) & 0xEFC60000ULL;
}

uint64_t Random() {
   uint64_t y;
   if (--left < 0) {
      Reload();
   }
   y = *nextRand++;
   y ^= (y >> 11);
   y ^= (y << 7) & 0x9D2C5680ULL;
   y ^= (y << 15) & 0xEFC60000ULL;

   return (y ^ (y >> 18));
}

uint64_t MersenneTwisterRandom(uint64_t seed) {
   Seed(seed);
   return Random();
}

void MTR_1000() {
   uint64_t initial_seed =  28378U;
   uint64_t first_seed = MersenneTwisterRandom(initial_seed);
   for (uint32_t i = 1; i <= 1e6; i++) {
      first_seed = MersenneTwisterRandom(first_seed);
      // printf("random value no. %08d is -- %" PRIu64 "\n", i, first_seed);
      // uncomment this if you need to display each number to serial
      // but this slows everything down a lot
   }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
   startTime = millis();
   MTR_1000();
   elapsedTime = millis() - startTime;
   Serial.print("time elapsed for calculating 1k 64-bit random numbers ");
   Serial.print(elapsedTime);
   Serial.println(" ms");
}

上傳程式之前，可從主功能表「工具→CPU Architecture（處理器架構）」選擇ARM或RISC-V處理器核心。

選擇序列埠

程式編譯上傳完畢後，第一次切換到序列埠監控窗，將會出現底下的訊息，因為Pico 2開發板此時的USB介面已從儲存媒介切換成USB序列通訊模式。

請從主能表「工具→連接埠」選擇Pico 2開發板的連接埠：

序列埠監控窗的「鮑率」選擇115200，等一會兒，即可看到生成1000個64位元長度隨機數字的花費時間。根據測試，ARM核心耗時124347毫秒，RISC-V核心耗時158033毫秒。