微控制器加速芯片整合 大幅擴(kuò)展MCU可應(yīng)用場域 2016年09月13日09:37 來源：中國智能制造網(wǎng)|
MCU深入生活應(yīng)用是不容易質(zhì)疑的趨勢，尤其是MCU在功能優(yōu)化或市場區(qū)隔目的下，進(jìn)行DSP數(shù)位訊號處理器或FPU浮點運算單元功能整合，使得MCU的可應(yīng)用場域大幅擴(kuò)展。
微控制器(MCU)深入人們應(yīng)用生活，幾乎大小設(shè)備都看得到MCU蹤影，在MCU導(dǎo)入DSP數(shù)位訊號處理器、FPU浮點運算單元功能后，MCU更大幅擴(kuò)展元件可適用范圍，這幾年來，在眾多MCU大廠紛紛針對旗下商品推出多樣整合方案，不管是策略還是市場區(qū)隔，也讓MCU市場更加豐富多元。
MCU深入生活應(yīng)用是不容易質(zhì)疑的趨勢，尤其是MCU在功能優(yōu)化或市場區(qū)隔目的下，進(jìn)行DSP數(shù)位訊號處理器或FPU浮點運算單元功能整合，使得MCU的可應(yīng)用場域大幅擴(kuò)展。
MCU整合FPU可以在進(jìn)階數(shù)值運算的精密度大幅提升、處理效能也能獲得改善。
針對IoT應(yīng)用開發(fā)的MCU方案，整合DSP可優(yōu)化感測器數(shù)據(jù)擷取品質(zhì)與提升信號處理效能。
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如果以FPU或DSP導(dǎo)入目的，一般在MCU中追加FPU、DSP整合架構(gòu)，主要目的還是在考量成本下的設(shè)計方向，尤其在早期半導(dǎo)體元件，SOC(SystemonChip)系統(tǒng)單晶片與MCU存在一段價格差距，如果僅需要SDP或FPU進(jìn)行運算加速，又不想選用高單價SOC，這時整合DSP或FPU硬體加速單元的MCU產(chǎn)品、不僅可以更好的提供運行效能，同時又能在成本控制上表現(xiàn)更加優(yōu)異。
MCU整合晶片封裝成本驟降增加MCU功能擴(kuò)充應(yīng)用空間
以早期的SOC產(chǎn)品來看，搭載DSP與FPU硬體加速器是SOC產(chǎn)品的重要特性，其中DSP與FPU的應(yīng)用方向主要以音訊、影像等處理加速運算為主，而在制程技術(shù)持續(xù)優(yōu)化，SOC的成本逐步與MCU拉近，MCU在32位元甚至64位元架構(gòu)下，也開始有結(jié)合DSP或是FPU硬體加速單元的。
先看看MCU加上硬體加速單元的優(yōu)點，在MCU追加FPU導(dǎo)入，最直接的效益是早期利用MCU處理類似FPU運算內(nèi)容，會因為MCU本身的運算架構(gòu)限制，讓運算結(jié)果得出時間會相對拉長，而在導(dǎo)入硬體加速器處理浮點運算時，因為硬體呼叫或是資料傳遞就能透過硬體算出數(shù)據(jù)，MCU本身耗在浮點運算的記憶體資源可以因硬體加速整合減少至少10%。
當(dāng)然，從目的性來看，不管MCU有無整合FPU硬體加速單元，浮點運算需求使用MCU現(xiàn)有的運算能力也能得出結(jié)果，只是前提是計算過程會耗用較多運算時間與硬體資源，對于可等待、無需提供即時反應(yīng)的系統(tǒng)自然可以不考慮整合FPU的MCU方案，但若是對系統(tǒng)效能、回饋反應(yīng)速度要求高的整合需求，MCU結(jié)合FPU的效益提升不僅僅是運算資源耗用優(yōu)化、優(yōu)勢等效果，反而是加快系統(tǒng)回應(yīng)與效能提升的效用，才是MCU結(jié)合FPU硬體加速最直接、重要的功能改進(jìn)，也讓MCU可以因應(yīng)更高復(fù)雜度的整合工作。
高階數(shù)值運算運用硬體加速滿足設(shè)計需求
在早期MCU元件仍以8位元架構(gòu)為主流的應(yīng)用方向，MCU在資料處理與運算處理上，本來就有因架構(gòu)的問題而有其處理限制，例如，MCU進(jìn)行小數(shù)點、分?jǐn)?shù)處理運算時，因為4位元或是8位元位數(shù)有限，就必須采用有限數(shù)值進(jìn)行處理，透過數(shù)值結(jié)果的限制換取處理復(fù)雜度簡化與效能要求目的，而這種因為數(shù)值處理產(chǎn)生的誤差即“截斷誤差”，截斷誤差也會因為使用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)運算的限制，而令誤差數(shù)值產(chǎn)生擴(kuò)大現(xiàn)象。
而在MCU整合FPU硬體加速，在運算同類型的數(shù)據(jù)處理時，例如在IoT物聯(lián)網(wǎng)或是終端感測器應(yīng)用中，常有將外部類比感測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)位資料的資料擷取、處理需求，這時透過MCU整合的FPU/DSP硬體加速單元，不僅可將感測數(shù)據(jù)更快速處理完成、加快系統(tǒng)回應(yīng)，同時，也能導(dǎo)入進(jìn)階運算減少數(shù)據(jù)演算的誤差。
在實際應(yīng)用中，F(xiàn)PU硬體加速器本身并無法完全解決誤差擴(kuò)大問題，所以會有FPU、DSP等不同硬體加速整合架構(gòu)下的應(yīng)用目的考量，舉例來說，透過DSP硬體加速器，可針對特殊數(shù)據(jù)類型更高速、可靠的運算處理輸出，像是DSP可利用指令來進(jìn)行多種運算，處理如快速快速傅立葉轉(zhuǎn)換或有限脈沖回應(yīng)進(jìn)階運算中重要且耗資源的運算需求，甚至透過單周期的指令便能處理單一指令多重資料運算需求，MCU在進(jìn)行進(jìn)階數(shù)值處理方面還可獲得進(jìn)階增強效益。
FPU/DSP不同硬體加速單元具互補作用
雖說整合FPU或DSP基本在架構(gòu)與應(yīng)用方向就不同，但實際上兩者分別是針對數(shù)據(jù)運算、訊號處理對應(yīng)至各式演算法應(yīng)用，兩者功能可以說是各有互補效用，比較難被獨立拆分。以ARMCortex-M4來看，若僅提供DSP硬體加速處理器反而沒設(shè)置FPU浮點運算加速器反而會造成應(yīng)用限制，因為在Cortex-M4應(yīng)用場合如果僅有數(shù)位信號處理加速硬體支援，少了浮點運算支援，對開發(fā)需求端若碰到需要數(shù)值進(jìn)階運算加速，就會造成設(shè)計上的彈性限制，或是導(dǎo)致還需透過外部功能晶片支援，或利用原有的運算資源因應(yīng)數(shù)值進(jìn)階計算需求，反而會因為數(shù)值處理效能限制了Cortex-M4的應(yīng)用可能性。
同樣的狀況也發(fā)生在僅有FPU而沒有設(shè)置DSP的微控制器應(yīng)用方案上，對DSP或是FPU應(yīng)用功能是相輔相成，獨立整合對于微控制器的配置并未能產(chǎn)生綜效，反而會成為發(fā)展路徑的限制。
再者，從新一代IoT產(chǎn)品發(fā)展方向，透過感測器融合應(yīng)用方向為例，若是SensorFusion概念為將多感測器整合在單一系統(tǒng)中協(xié)同運行，系統(tǒng)需要高階數(shù)值與訊號處理能力，才可以將關(guān)鍵數(shù)值訊號自復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取出來。
至于感測器融合可以再搭配即時的調(diào)整、控制與校正處理，由DSP加上FPU協(xié)同處理達(dá)到高精密度、高效率進(jìn)行擷取數(shù)據(jù)的精密分析，尤其是現(xiàn)有的SensorFusion已做到陀螺儀、加速度器、溫度、壓力甚至觸控感測都做在同一個模組中，必須透過DSP與FPU預(yù)先篩出相對精密且兼顧處理效率的訊號擷取與預(yù)處理的感測數(shù)據(jù)，提供相對高效的系統(tǒng)更具效率的感測數(shù)值處理機(jī)制。
DSP數(shù)位濾波應(yīng)用可提升感測訊號擷取品質(zhì)
此外，在MCU整合FPU的另一個優(yōu)勢在于可在系統(tǒng)中善用其運算特性，例如，運用數(shù)位演算法進(jìn)行擷取數(shù)值的數(shù)位濾波應(yīng)用，針對處理訊號進(jìn)一步以基于硬體加速的數(shù)位演算法進(jìn)行波形或數(shù)據(jù)再處理，形成一提升數(shù)據(jù)噪訊比(SNR)的便捷作法，數(shù)位濾波器還可利用演算機(jī)制優(yōu)化提供不同程度大小的濾波效果，這在于微控制器用于感測熱門的心率、血液含氧量、運動數(shù)值等生理資訊，或是數(shù)位電表、電表等應(yīng)用，解決末端數(shù)據(jù)因為雜訊或噪訊影響，倒置訊號失真的數(shù)據(jù)優(yōu)化回補效用，優(yōu)化終端取得的訊號波形信號品質(zhì)，更利于后續(xù)處理或數(shù)據(jù)使用。
為了優(yōu)化末端應(yīng)用，微控制器整合硬體加速單元也蔚為一股風(fēng)潮，不只是DSP或是FPU硬體加速單元，例如就有微控制器在架構(gòu)上加入了VMU硬體加速單元，處理因應(yīng)馬達(dá)應(yīng)用重點的三角函數(shù)數(shù)值運算需求，或是對應(yīng)無線電通訊需求整合的數(shù)據(jù)分析演算支援，與現(xiàn)有FPU浮點運算硬體加速功能區(qū)隔，采取協(xié)同分工的方式加速整體微控制器的應(yīng)用效能。
有趣的是，針對不同的市場與運算需求定位，微控制器除在運算時脈進(jìn)行差異區(qū)隔，以最實際的運算效能區(qū)分不同應(yīng)用場合、市場切分外，整合不同應(yīng)用所需的硬體加速單元也成為產(chǎn)品市場定位的重要分界，例如針對穿戴式運算應(yīng)用市場的微控制器，在要求功耗、感測器融合、元器件成本方面就可僅整合FPU、DSP硬體加速定位市場區(qū)隔，在高階的微控制器應(yīng)用上，甚至有解決方案直接整合硬體繪圖引擎，直接看準(zhǔn)工業(yè)用人機(jī)介面終端的應(yīng)用需求，另針對如車用、IoT物聯(lián)網(wǎng)等不同市場需求，也有五花八門的硬體加速單元配置組合，滿足不同整合需求的應(yīng)用架構(gòu)。
另一個微控制器整合DSP、FPU硬體加速單元的目的，其實加入硬體加速單元整合而不采行外部解決方案來組構(gòu)硬體加速運算需求，其最大的優(yōu)點在于成本方面的極致優(yōu)化，因為電子電路板可以更節(jié)省載板空間，運用單一晶片就能改善運算的整體效率，而在軟體開發(fā)層面，可在整合架構(gòu)下運用簡單呼叫與資料傳遞的再處理，便能滿足應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)計算產(chǎn)出效能要求，甚至于開發(fā)完成的成品還可運用一致性偵錯分析工具，直接針對系統(tǒng)進(jìn)行全面分析與勘誤，在開發(fā)設(shè)計的效率與速度都能獲得改善。
責(zé)任編輯：姚泓澤
