DSP+FPU給MCU架構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的新思路

圖4 ： DSP加上FPU，對(duì)于近年來相當(dāng)火熱的感測(cè)器融合技術(shù)有相當(dāng)大的發(fā)揮空間。(Source：意法半導(dǎo)體)

黎柏均指出，導(dǎo)入FPU的另一個(gè)好處在于，可以利用FPU的運(yùn)算能力，以數(shù)字方式進(jìn)行濾波，以進(jìn)一步提升SNR值，所以像是工業(yè)電表、量測(cè)與生理訊號(hào)等，都是十分適合的終端應(yīng)用。黎柏均強(qiáng)調(diào)，過去的確在訊號(hào)鏈上，的確有用放大器與濾波器等類比元件來處理雜訊的問題，但這種作法，多少還是會(huì)有失真的問題存在，因此采用數(shù)字濾波的方式，亦不失為一種作法，此外還有可能可以省去一些不必要的系統(tǒng)成本。

然而，黎柏均也透露，讓MCU搭載FPU之后，系統(tǒng)業(yè)者為了能提升整體系統(tǒng)的效能或是解析度，在ADC的采用上，可能就會(huì)更加大膽，一口氣進(jìn)入16位元甚至是24位元的規(guī)格，原因在于這類ADC所面臨的雜訊現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，透過FPU來處理，不失為一種作法。

FPU仍有局限?TI提供其他硬體加速單元

不過，如同陳俊宏所提到的，如果DSP要處理的工作十分多元，意味著需要更多元的工具來加以因應(yīng)，單靠FPU這樣的硬體加速單元仍有不足之處。

陳俊宏透露，延續(xù)TI的C2000架構(gòu)，TI進(jìn)一步推出了如TMU與VMU硬體加速單元，前者專職于三角函數(shù)運(yùn)算(偏重馬達(dá)應(yīng)用)，后者則負(fù)責(zé)復(fù)數(shù)運(yùn)算(對(duì)應(yīng)通訊與軟體定義無線電)，既有的FPU就負(fù)責(zé)分?jǐn)?shù)與小數(shù)點(diǎn)的運(yùn)算工作，透過分工合作的方式，來因應(yīng)客戶不同的運(yùn)算工作需求。他更舉例，就算是馬達(dá)所需要的運(yùn)算工作，因應(yīng)不同的馬達(dá)類型，TI也能給予不同的DSP架構(gòu)來對(duì)應(yīng)。

架構(gòu)異曲同工MCU仍有市場(chǎng)區(qū)隔

就Cortex-M4 MCU而言，ST所提供的產(chǎn)品線相當(dāng)廣泛，核心時(shí)脈從最低的72MHz到最高的180MHz，中間亦有84MHz、100MHz、168MHz的版本，這些不同核心時(shí)脈的產(chǎn)品，自然也對(duì)應(yīng)到不同應(yīng)用。STMF3(核心時(shí)脈為72MHz)系列，就是要因應(yīng)既有的Cortex-M3的升級(jí)而推出的版本，其他如 STMF401(核心時(shí)脈為84MHz)與STMF411(核心時(shí)脈為100MHz)，是為了因應(yīng)穿戴式與高C/P應(yīng)用為主。而ST的STMF479，其核心時(shí)脈高達(dá)180MHz，也搭載繪圖引擎，專攻人機(jī)介面應(yīng)用。

不過，撇除應(yīng)用面不談，英飛凌在尚未導(dǎo)入Cortex-M4前，就已有FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)與DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的MCU產(chǎn)品線：TriCore系列。該系列產(chǎn)品線，早在1999年就已經(jīng)面世。

英飛凌電源管理與多元電子事業(yè)處亞太區(qū)市場(chǎng)部資深經(jīng)理黃志鴻表示，當(dāng)初英飛凌設(shè)計(jì)TriCode，本身就具備了DSP與FPU的功能，就應(yīng)用面而言，就聚焦在汽車領(lǐng)域。而談到先前就引進(jìn)Cortex-M4的原由，黃志鴻也直言，所鎖定的應(yīng)用就是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，再加上ARM架構(gòu)在全球市場(chǎng)中，本來就有其普遍性，并進(jìn)一步取得過去由傳統(tǒng)的DSP業(yè)者所壟斷的市場(chǎng)。Cortex-M4在先天上，本身就具備即時(shí)性的特性，像是近期英飛凌所聚焦的工業(yè)乙太網(wǎng)路與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SIL3、SIL4等，都十分適合。

圖5 ： 乙太網(wǎng)路進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域后，成了重要的網(wǎng)路通訊技術(shù)，由于有其普遍性與開放性，采用開放的處理器核心來提供MCU方案，也是合理的選擇。(Source：www.datacenterdynamics.com)

所以英飛凌的產(chǎn)品區(qū)隔相當(dāng)明顯，擁有FPU與DSP的MCU產(chǎn)品線，延續(xù)TriCode架構(gòu)，進(jìn)而一脈相承的AURIX，聚焦車用應(yīng)用，取得ARM授權(quán)的Cortex-M4，就扛下工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的責(zé)任。當(dāng)然，英飛凌對(duì)于Cortex-M4也還有其他的期待，像是數(shù)字電源與馬達(dá)控制領(lǐng)域，英飛凌也開始嘗試?yán)肅ortex-M4 MCU打入其應(yīng)用。他也不諱言，DSP也的確存在相當(dāng)長的一段時(shí)間，產(chǎn)業(yè)界有不少工程師對(duì)于DSP本來就有相當(dāng)高的熟悉度，MCU約莫是在三年前左右，才開始導(dǎo)入DSP功能。

圖6 ： 車用電子產(chǎn)業(yè)的特性相對(duì)較為封閉，盡管在車用處理器可以看到ARM有明顯的市占率表現(xiàn)，但在MCU方面，還是由各大車用半導(dǎo)體所提供的自主架構(gòu)居多， ARM的能見度相對(duì)較低。(Source：www.teijinaramid.com)

而黃志鴻也強(qiáng)調(diào)，Cortex-M4還是有其局限性在，像是視訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還是要透過DSP來處理會(huì)較為適當(dāng)。像是高速鐵路或是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用，普遍來看還是傳統(tǒng)的DSP業(yè)者主導(dǎo)。但如果是電動(dòng)機(jī)車、一般風(fēng)扇、家電與智慧家庭等，就有FPU功能的MCU的發(fā)揮空間。

談到數(shù)字電源，同樣也有類似的情況，黃志鴻表示，從功率大小來區(qū)分，從500瓦以上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如伺服器或是電信設(shè)備的AC/DC電源，市場(chǎng)上還是以傳統(tǒng)DSP架構(gòu)為主，但也的確有不少擁有Cortex-M4 MCU的業(yè)者對(duì)于該市場(chǎng)，有相當(dāng)高的興趣。

圖7 ： 數(shù)字電源在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域漸漸成為主流，市場(chǎng)也開始有了用MCU來進(jìn)行數(shù)字電源設(shè)計(jì)。(攝影：姚嘉洋)

MCU多元架構(gòu)并陳定位仍有不同

徐達(dá)勇表示，將DSP與FPU加以整合，無需外掛的好處在于，系統(tǒng)工程師可以用同一套的偵錯(cuò)與編譯器等工具，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，簡(jiǎn)單說，簡(jiǎn)化開發(fā)環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)開發(fā)而言，可以提升不少效率。在過去，采用DSP設(shè)計(jì)，會(huì)有些設(shè)計(jì)方法必須動(dòng)用組合語言的作法才能完成，但是，MCU的開發(fā)，最終還是要回歸到C語言的撰寫。若把DSP導(dǎo)入與MCU一同合作，ARM在作法上，就是統(tǒng)一采用C語言的方式，來統(tǒng)一DSP、FPU的撰寫方式，解決了過去組合語言所造成的困擾。然而，陳俊宏也強(qiáng)調(diào)，事實(shí)上組合語言是更為細(xì)膩的程式語法，對(duì)于工作執(zhí)行上能更有效率，TI近年來也不斷努力，讓C語言與組合語言兩者之間的差異縮小，以讓使用者能有更多的選擇。