DSP+FPU給MCU架構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的新思路

自從MCU(微控制器)導(dǎo)入了DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)與FPU(Floating Point Unit;浮點(diǎn)運(yùn)算單元)功能后，MCU可以拓展的應(yīng)用范圍便大幅增加，這幾年來(lái)，諸多MCU大廠都紛紛導(dǎo)入，使得MCU市場(chǎng)戰(zhàn)局變得更加詭譎多變。各家大廠就MCU的產(chǎn)品策略也不盡相同。

然而，盡管應(yīng)用面大幅增加，但DSP與FPU在功能上要如何區(qū)分?彼此的關(guān)系是什么?這在ARM推出了Cortex-M4后，這類(lèi)的議題才開(kāi)始漸漸被市場(chǎng)所重視。

DSP、FPU不再高不可攀

瑞薩電子營(yíng)業(yè)行銷(xiāo)事業(yè)部第一營(yíng)業(yè)行銷(xiāo)部副理黎柏均表示，其實(shí)FPU的導(dǎo)入，還是要考量成本的問(wèn)題，若不需要，其實(shí)采用定點(diǎn)運(yùn)算的MCU來(lái)因應(yīng)系統(tǒng)需求即可。一般來(lái)說(shuō)，SOC(系統(tǒng)單芯片)才會(huì)有所謂的DSP與FPU這類(lèi)硬體加速器，其主要的功能大多負(fù)責(zé)影像或是音訊處理的工作，但隨著制程的進(jìn)步，MCU在32位元架構(gòu)也日趨成熟，所以MCU就開(kāi)始能沿用SOC的部份功能，并進(jìn)一步拓展MCU的應(yīng)用范圍。黎柏均更直言，在早期，SOC與MCU之間有不小的價(jià)格差距。

圖1 ： SOC本身就具備一定的DSP與FPU的功能，價(jià)格上也比MCU來(lái)得昂貴。(攝影：姚嘉洋)

不過(guò)，黎柏均認(rèn)為，在現(xiàn)有市場(chǎng)所存在的MCU產(chǎn)品，即便主要供應(yīng)商都能提供FPU的功能，但事實(shí)上，各家大廠的產(chǎn)品之間并沒(méi)有什么距離，關(guān)鍵最多就是在程式的執(zhí)行效率上，能否形成差異。在過(guò)去，若要由定點(diǎn)運(yùn)算架構(gòu)的MCU來(lái)處理FPU的工作，會(huì)多出不少時(shí)間出來(lái)，而且也需要大量的記憶體資源，但有了 FPU的導(dǎo)入后，其目標(biāo)程式碼就能夠縮小，記憶體容量也能減少10%。換言之，若沒(méi)有時(shí)間上的考量，MCU是否要導(dǎo)入FPU，嚴(yán)格來(lái)看，并沒(méi)有太大的差別存在。TI(德州儀器)亞洲區(qū)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理陳俊宏也同意，利用定點(diǎn)運(yùn)算的MCU來(lái)處理FPU要處理的工作，也并非不行，但就是需要耗費(fèi)大量的記憶體資源與長(zhǎng)時(shí)間的等待，來(lái)取得所要的運(yùn)算結(jié)果，F(xiàn)PU的存在，就是要避免這樣的情況出現(xiàn)。

不論是從ARM或是TI，這些大廠對(duì)于DSP與FPU的看法，

仍然有一些差異存在，但也因此，讓MCU市場(chǎng)形成了多元并陳的景象。

在過(guò)去，傳統(tǒng)的8位元架構(gòu)，在資料處理上仍然有其極限存在，陳俊宏指出，傳統(tǒng)的定點(diǎn)運(yùn)算MCU在進(jìn)行所謂的分?jǐn)?shù)或是小數(shù)點(diǎn)計(jì)算，因?yàn)镸CU本身的位元數(shù)有限，在面臨無(wú)法除盡而形成無(wú)窮數(shù)值(如1/3或是3/7等)的計(jì)算上，就必須有所取舍，在位元數(shù)有限而采取的有限數(shù)值，勢(shì)必與現(xiàn)實(shí)計(jì)算上而形成的數(shù)值產(chǎn)生一定的誤差，這種情形我們稱為：截?cái)嗾`差。在這種情況下，若要利用傳統(tǒng)MCU的處理器核心來(lái)處理分?jǐn)?shù)運(yùn)算，只會(huì)造成截?cái)嗾`差的不斷擴(kuò)大。為了有效處理截?cái)嗾`差不斷擴(kuò)大的問(wèn)題，便有了FPU的出現(xiàn)。

回顧MCU的發(fā)展歷程，從傳統(tǒng)的8位元架構(gòu)一路發(fā)展至今，已經(jīng)進(jìn)入到可以采用FPU與DSP等功能。之所以會(huì)有如此的進(jìn)化，主因來(lái)自于從類(lèi)比端擷取資料后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字化，將「連續(xù)型」資料轉(zhuǎn)為「離散型」資料」以利于處理器進(jìn)行運(yùn)算。

圖2 ： MCU的世界中，截?cái)嗾`差一直存在著，若要考量到高精度，如何減少截?cái)嗾`差的現(xiàn)象，就成了大家努力的方向之一。(Source：www.youtube.com)

陳俊宏談到，F(xiàn)PU并不能完全解決截?cái)嗾`差不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象，精確地說(shuō)，只能將該現(xiàn)象盡可能地減少。陳俊宏進(jìn)一步指出，從TI的角度來(lái)看，DSP要處理運(yùn)算種類(lèi)相當(dāng)多種，所以需要更多的工具來(lái)處理不同需求。

延續(xù)陳俊宏的論述，Imagination MIPS業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)資深經(jīng)理Ian Anderton也指出，DSP可利用乘法/累加(MAC)指令、飽和、舍入和位元操作來(lái)執(zhí)行多種數(shù)學(xué)運(yùn)算─ 這些都是快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)和有限脈沖響應(yīng)(FIR)等高效過(guò)濾器開(kāi)發(fā)所需的基本功能。DSP同時(shí)也能支援并執(zhí)行多種應(yīng)用中所使用的8、16和32 位元整數(shù)與分?jǐn)?shù)資料長(zhǎng)度。透過(guò)單周期MAC指令、SIMD(單一指令多重資料)和特殊的位元操作，DSP效能還可獲得進(jìn)一步的增強(qiáng)。

FPU與DSP的相輔相成

ST(意法半導(dǎo)體)資深產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理?xiàng)钫畡t是談到，針對(duì)訊號(hào)處理、數(shù)值運(yùn)算與對(duì)應(yīng)到各種應(yīng)用的演算法，DSP與FPU某程度上，是相輔相成的角色，很難被加以拆分。當(dāng)然，他也表示，ARM所推出的Cortex-M4核心，也有僅搭載DSP而沒(méi)有FPU的版本，但若要讓客戶能發(fā)揮更多的創(chuàng)意，那么就架構(gòu)上就一次到位，也能省去不少不必要的麻煩。

圖3 ： 某程度上，一次提供到位的硬體資源，工程師可以發(fā)揮更多的創(chuàng)意與想法。(Source：www.access2knowledge.org)

呼應(yīng)楊正廉的說(shuō)法，ARM臺(tái)灣應(yīng)用工程經(jīng)理徐達(dá)勇指出，從應(yīng)用面來(lái)說(shuō)，楊正廉的看法并沒(méi)有問(wèn)題。當(dāng)然，F(xiàn)PU與DSP各自也有其定位。徐達(dá)勇舉例：0.8+0.5=1.3，這種運(yùn)算工作就是由FPU來(lái)負(fù)責(zé)，但是如果要同時(shí)計(jì)算：「0.8+0.5=?與1.3+0.9=?」的話，就必須借重DSP 的運(yùn)算功能，所以FPU與DSP的密不可分，的確有其道理。楊正廉表示，廣義來(lái)看，讓MCU具備DSP與FPU功能，主要的目的在于能讓MCU的客戶群能夠享受到DSP與FPU帶來(lái)的功能與便利性，而過(guò)往采用DSP架構(gòu)的客戶群，也能有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)移到MCU平臺(tái)。

Ian Anderton也從應(yīng)用面出發(fā)，并以感測(cè)器融合(Sensor Fusion)為例，感測(cè)器融合是指把多個(gè)感測(cè)器結(jié)合在單一系統(tǒng)中共同運(yùn)作。它需要高階的訊號(hào)處理功能，才能把訊號(hào)從嘈雜的環(huán)境中區(qū)隔出來(lái)。感測(cè)器融合可提供即時(shí)校正與調(diào)整控制，這是一種有限時(shí)間(time-limited)的應(yīng)用，僅能透過(guò)利用DSP和FPU的協(xié)同處理功能來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、高精密度的計(jì)算。此外，包括加速器、陀螺儀、壓力/溫度/觸控等各種感測(cè)器，以及其他擁有個(gè)別控制/管理演算法的感測(cè)器也增加了更多的挑戰(zhàn)，必須采用DSP/FPU才能設(shè)計(jì)出高效的系統(tǒng)。