具有硬件矢量浮點(diǎn)運(yùn)算單元的微控制器在醫(yī)療電子中

如今，越來(lái)越多的嵌入式控制應(yīng)用需要信號(hào)處理，如：濾波、插值、降噪、頻譜分析、解調(diào)等。醫(yī)療電子設(shè)備正是需要進(jìn)行信號(hào)處理的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。例如用于超聲診斷的圖像處理，在進(jìn)行圖像重建、邊緣處理、增強(qiáng)以及圖像識(shí)別和辨識(shí)形狀時(shí)均需要進(jìn)行大量的數(shù)字信號(hào)處理。用于胎心、血壓和心跳等監(jiān)護(hù)的控制平臺(tái)，其運(yùn)算模塊也會(huì)對(duì)采樣得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的算法處理，再將處理和分析結(jié)果通過(guò)LCD等反饋給使用者。
8 bit/16 bit微控制器通常需要消耗很多計(jì)算資源來(lái)做這些工作。今天，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算的強(qiáng)大微控制器開(kāi)始出現(xiàn)，32 bit微控制器有足夠的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)其中的許多功能。

評(píng)估微控制器的性能
相比于專(zhuān)業(yè)的DSP處理器，微控制器用于信號(hào)處理具有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)有效的循環(huán)控制；(2)豐富的外設(shè)；(3)單一的處理器結(jié)構(gòu)、指令集和開(kāi)發(fā)工具鏈；(4)統(tǒng)一的中斷和任務(wù)切換環(huán)境，同類(lèi)存儲(chǔ)器；(5)同樣的操作系統(tǒng)同時(shí)管理控制和信號(hào)處理任務(wù)，基于MMU；(6)由于大大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，所以上市時(shí)間較短；(7)流行的微控制器容易獲得，開(kāi)發(fā)工具成本低。
如何評(píng)估微控制器的性能是否滿足應(yīng)用需求，是工程師在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的早期階段需要考慮的問(wèn)題。評(píng)價(jià)和匯總來(lái)自數(shù)據(jù)手冊(cè)的信息是一種有效方法，另一種方法是使用某一類(lèi)型的評(píng)估板來(lái)進(jìn)行特定性能測(cè)試和功耗測(cè)試的方法。這兩類(lèi)方法都有各自的缺點(diǎn)。
依賴于數(shù)據(jù)手冊(cè)的比較是有風(fēng)險(xiǎn)的，而測(cè)試多種硬件通常不切實(shí)際、耗時(shí)且昂貴。本文檢驗(yàn)了一種使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的中間解決方案，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，當(dāng)關(guān)鍵器件選定以后，使用這種方法來(lái)評(píng)估性能和能耗。
目標(biāo)是調(diào)查恩智浦微控制器在幾種不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)性能，并把收集到的數(shù)據(jù)和能耗關(guān)聯(lián)起來(lái)。這就需要同時(shí)測(cè)量性能和功耗，進(jìn)而能夠測(cè)量在特定負(fù)載下的整體能耗。
在評(píng)估過(guò)程中，使用了三個(gè)步驟：(1)通過(guò)運(yùn)行各種系統(tǒng)測(cè)試基準(zhǔn)，并改變不同的系統(tǒng)參數(shù)，抽象出系統(tǒng)特征；(2)解釋收集的特征數(shù)據(jù)來(lái)確立系統(tǒng)的行為；(3)通過(guò)系統(tǒng)的行為決定怎樣設(shè)定控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)表現(xiàn)達(dá)到預(yù)想的效果。

特征化
從理論上來(lái)說(shuō)，性能測(cè)試是對(duì)運(yùn)作系統(tǒng)式樣的質(zhì)化或量化評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的式樣可能不夠詳細(xì)，不足以定義完整的質(zhì)量測(cè)試，創(chuàng)建測(cè)試也許太昂貴，不能保證其開(kāi)發(fā)。一個(gè)比較好的得到系統(tǒng)特征的折衷方法是，使用測(cè)試基準(zhǔn)作為一個(gè)或一系列以軟件執(zhí)行的測(cè)試，提供量化的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)比較不同系統(tǒng)的特性。
為得到微控制器的特性，從EEMBC的Auto-Bench組選擇一套性能測(cè)試基準(zhǔn)。這些基準(zhǔn)幫助預(yù)測(cè)微控制器在汽車(chē)電子，工業(yè)和一般應(yīng)用中的性能。運(yùn)行每一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試都通過(guò)多次反復(fù)循環(huán)以消除一些啟動(dòng)代碼在每次測(cè)試開(kāi)始時(shí)只運(yùn)行一次的影響。使用這一工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)組件的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以將結(jié)果數(shù)據(jù)與其他類(lèi)似架構(gòu)微控制器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評(píng)判總體系統(tǒng)性能。
這里所測(cè)試的微控制器是基于ARM926EJ-S內(nèi)核，帶硬件矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器和一個(gè)32 KB的指令緩存(I-cache)。該測(cè)試衡量浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能。在微控制器不同的工作頻率時(shí)運(yùn)行Auto-Bench測(cè)試基準(zhǔn)，使用Energy-Bench測(cè)量每一基準(zhǔn)執(zhí)行中消耗的能量。Energy-Bench是另一個(gè)EEMBC工具，可以測(cè)量基準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行時(shí)處理器消耗的能量。從Energy-Bench收集的數(shù)據(jù)可以觀察到微控制器在各種不同負(fù)載下的能量效率。選擇了這些工具來(lái)評(píng)估微控制器，下一步就是確定微控制器在不同運(yùn)行條件下的性能。

性能分析
為了分析微控制器的性能，需要決定在不同條件下的整體系統(tǒng)響應(yīng)。在測(cè)試項(xiàng)目中，需要評(píng)估恩智浦微控制器上浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能。
運(yùn)行Auto-bench基準(zhǔn)測(cè)試組，改變4個(gè)參數(shù)：運(yùn)行頻率、CPU核的電壓、指令緩存的狀態(tài)和浮點(diǎn)協(xié)處理器的狀態(tài)。