關(guān)于MCU中導(dǎo)入DSP/FPU是未來的發(fā)展趨勢分析

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)字信號處理器、FPU浮點(diǎn)運(yùn)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，不管是產(chǎn)品策略還是市場區(qū)隔，也讓MCU市場更加豐富多元...

MCU(Microcontroller Unit)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(Digital Signal Processor)數(shù)字信號處理器或FPU(Floating Point Unit)浮點(diǎn)運(yùn)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(yùn)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。

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(System on Chip)系統(tǒng)單芯片與MCU存在一段價格差距，如果僅需要SDP或FPU進(jìn)行運(yùn)算加速，又不想選用高單價SOC，這時整合DSP或FPU硬件加速單元的MCU產(chǎn)品、不僅可以更好的提供運(yùn)行效能，同時又能在成本控制上表現(xiàn)更加優(yōu)異。

MCU整合芯片封裝成本驟降 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硬件加速器是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(yùn)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硬件加速單元的解決方案。

先看看MCU加上硬件加速單元的優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)算內(nèi)容，會因?yàn)镸CU本身的運(yùn)算架構(gòu)限制，讓運(yùn)算結(jié)果得出時間會相對拉長，而在導(dǎo)入硬件加速器處理浮點(diǎn)運(yùn)算時，因?yàn)橛布艚谢蚴?a href="http://srfitnesspt.com/soft/special/" target="_blank">資料傳遞就能透過硬件算出數(shù)據(jù)，MCU本身耗在浮點(diǎn)運(yùn)算的記憶體資源可以因硬件加速整合減少至少10%。

當(dāng)然，從目的性來看，不管MCU有無整合FPU硬件加速單元，浮點(diǎn)運(yùn)算需求使用MCU現(xiàn)有的運(yùn)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(yùn)算時間與硬件資源，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(yùn)算資源耗用優(yōu)化、節(jié)能優(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硬件加速最直接、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(yùn)算 運(yùn)用硬件加速滿足設(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(yùn)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(diǎn)、分?jǐn)?shù)處理運(yùn)算時，因?yàn)?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?yàn)閿?shù)值處理產(chǎn)生的誤差即“截斷誤差”，截斷誤差也會因?yàn)槭褂肕CU進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)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硬件加速，在運(yùn)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)字資料的資料擷取、處理需求，這時透過MCU整合的FPU/DSP硬件加速單元，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(yùn)算減少數(shù)據(jù)演算的誤差。

在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PU硬件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等不同硬件加速整合架構(gòu)下的應(yīng)用目的考量，舉例來說，透過DSP硬件加速器，可針對特殊數(shù)據(jù)類型更高速、可靠的運(yùn)算處理輸出，像是DSP可利用指令來進(jìn)行多種運(yùn)算，處理如快速快速傅立葉轉(zhuǎn)換(fast Fourier transform；FFT)或有限脈沖回應(yīng)(Finite impulse response；FIR)進(jìn)階運(yùn)算中重要且耗資源的運(yùn)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(Single Instruction Multiple Data；SIMD)運(yùn)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(qiáng)效益。

FPU/DSP不同硬件加速單元具互補(bǔ)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(shí)際上兩者分別是針對數(shù)據(jù)運(yùn)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(bǔ)效用，比較難被獨(dú)立拆分。以ARM Cortex-M4來看，若僅提供DSP硬件加速處理器反而沒設(shè)置FPU浮點(diǎn)運(yùn)算加速器反而會造成應(yīng)用限制，因?yàn)樵贑ortex-M4應(yīng)用場合如果僅有數(shù)字信號處理加速硬件支援，少了浮點(diǎn)運(yùn)算支援，對開發(fā)需求端若碰到需要數(shù)值進(jìn)階運(yùn)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芯片支援，或利用原有的運(yùn)算資源因應(yīng)數(shù)值進(jìn)階計算需求，反而會因?yàn)閿?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(dú)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(Sensor Fusion)應(yīng)用方向?yàn)槔?，若是Sensor Fusion概念為將多感測器整合在單一系統(tǒng)中協(xié)同運(yùn)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Sensor Fusion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)字濾波應(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(yùn)算特性，例如，運(yùn)用數(shù)字演算法進(jìn)行擷取數(shù)值的數(shù)字濾波應(yīng)用，針對處理訊號進(jìn)一步以基于硬件加速的數(shù)字演算法進(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)字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(yùn)動數(shù)值等生理資訊，或是數(shù)字電表、智能電表等應(yīng)用，解決末端數(shù)據(jù)因?yàn)殡s訊或環(huán)境噪訊影響，倒置訊號失真的數(shù)據(jù)優(yōu)化回補(bǔ)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，微控制器整合硬件加速單元也蔚為一股風(fēng)潮，不只是DSP或是FPU硬件加速單元，例如就有微控制器在架構(gòu)上加入了VMU硬件加速單元，處理因應(yīng)馬達(dá)應(yīng)用重點(diǎn)的三角函數(shù)數(shù)值運(yùn)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(diǎn)運(yùn)算硬件加速功能區(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(yùn)算需求定位，微控制器除在運(yùn)算時脈進(jìn)行差異區(qū)隔，以最實(shí)際的運(yùn)算效能區(qū)分不同應(yīng)用場合、市場切分外，整合不同應(yīng)用所需的硬件加速單元也成為產(chǎn)品市場定位的重要分界，例如針對穿戴式運(yùn)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硬件加速定位市場區(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件繪圖引擎，直接看準(zhǔn)工業(yè)用人機(jī)介面終端的應(yīng)用需求，另針對如車用電子、IoT物聯(lián)網(wǎng)等不同市場需求，也有五花八門的硬件加速單元配置組合，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硬件加速單元的目的，其實(shí)加入硬件加速單元整合而不采行外部解決方案來組構(gòu)硬件加速運(yùn)算需求，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于成本方面的極致優(yōu)化，因?yàn)殡娮与娐钒蹇梢愿?jié)省載板空間，運(yùn)用單一芯片就能改善運(yùn)算的整體效率，而在軟件開發(fā)層面，可在整合架構(gòu)下運(yùn)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(yùn)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。