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

選擇FIR基準(zhǔn)作為一個(gè)測(cè)試基線是因?yàn)樗话?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/浮點(diǎn)運(yùn)算">浮點(diǎn)運(yùn)算，當(dāng)與基本整數(shù)浮點(diǎn)基準(zhǔn)進(jìn)行比較時(shí)，它可以提供有用的數(shù)據(jù)。提供這兩個(gè)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以確定指令緩存和浮點(diǎn)協(xié)處理器性能所需的必要信息。
首先來看指令緩存的性能，觀察圖2和標(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s的圖。數(shù)據(jù)表明，在所有頻率下，當(dāng)指令緩存使能時(shí)，微控制器的絕對(duì)性能都更好。第二，當(dāng)CPU時(shí)鐘頻率增加時(shí)，即使指令緩存提供了更好的絕對(duì)性能，其提高的相對(duì)幅度不是線性的。通過觀察標(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s/MHz的圖，讀者可以驗(yàn)證這一特性。圖2表明，對(duì)于幾乎所有的CPU時(shí)鐘頻率性能都線性增加大約100次/s/MHz，而除了運(yùn)行在208 MHz時(shí)，根據(jù)指令緩存使能與否，性能降至60或80次/s/MHz。
很明顯，當(dāng)指令緩存使能時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行更快。因?yàn)楫?dāng)CPU從指令緩存執(zhí)行指令時(shí)，對(duì)AHB RAM進(jìn)行讀寫的次數(shù)減少。
非線性性能特征是由于AHB時(shí)鐘具有最高104 MHz的上限的結(jié)果。當(dāng)AHB時(shí)鐘慢于CPU時(shí)鐘時(shí)，CPU必須等待較長(zhǎng)的時(shí)間以從AHB總線的RAM上讀取指令，其結(jié)果是每MHz相對(duì)性能的增加較小。
下面分析一下指令緩存對(duì)能耗的影響。如果只考慮圖2中功率（Power）的絕對(duì)功耗，也許會(huì)得出關(guān)閉指令緩存可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)能量的結(jié)論。然而，Energy-Bench數(shù)據(jù)表明，當(dāng)指令緩存被使能時(shí)，每一個(gè)基準(zhǔn)循環(huán)消耗的能量實(shí)際上是低于指令緩存被關(guān)閉時(shí)的。
更詳細(xì)地對(duì)能量（Energy）圖進(jìn)行觀察表明，當(dāng)指令緩存使能，在208 MHz，1.2 V時(shí)每個(gè)循環(huán)消耗的能量甚至低于其他運(yùn)行頻率。實(shí)際上，有10%～12%的提高。換句話說，在使能指令緩存的情況下執(zhí)行同樣的基準(zhǔn)，高速(208 MHz)運(yùn)行較短的一段時(shí)間比低速(52 MHz或104 MHz)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間具有更好的能量效率。
從圖3及循環(huán)次數(shù)/s的圖可以看到使用浮點(diǎn)協(xié)處理器的運(yùn)行效率和能耗。這張圖相當(dāng)生動(dòng)地表明了集成的浮點(diǎn)協(xié)處理器的性能效果。在頻率為208 MHz時(shí)，使能指令緩存，使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算，微控制器運(yùn)行在大約8 500次/s；而使用浮點(diǎn)協(xié)處理器，這一值越至超過32 500次/s，性能提高超過280 %。
檢驗(yàn)浮點(diǎn)協(xié)處理器的能耗效果參見圖3中的能量圖。當(dāng)指令緩存使能、使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，每個(gè)基準(zhǔn)負(fù)載在208 MHz的能量表明微控制器消耗每次循環(huán)大約16 J； 而使用浮點(diǎn)協(xié)處理器時(shí)，這一值小于4 J/循環(huán)-節(jié)省超過75%的能量，而工作量是相同的。
圖2和循環(huán)次數(shù)/s圖表明，在頻率為13 MHz、供電電壓為0.9 V和1.2 V時(shí)，性能基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是相等的。
然而，功率圖表示，在1.2 V時(shí)的功耗比0.9 V時(shí)的功耗要高大約75%。

系統(tǒng)控制參數(shù)
在測(cè)試?yán)又校褂玫腅EMBC特性工具決定目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)中指令緩存和浮點(diǎn)協(xié)處理器的性能。根據(jù)這一性能，可以選擇通用的配置參數(shù)，以提供具有低能耗的系統(tǒng)性能的最好條件。
下面是一些參數(shù)選擇，在類似那些EEMBC Auto-Bench基準(zhǔn)測(cè)試組的環(huán)境下，可以控制系統(tǒng)的功率利用率和性能：
(1)使能指令緩存能使性能更好；
(2)使用硬件浮點(diǎn)協(xié)處理器比軟件浮點(diǎn)的運(yùn)算性能明顯提高且能耗明顯降低；
(3)在208 MHz時(shí)，指令緩存使能，其能耗比低頻率時(shí)要好；
(4)對(duì)于13 MHz低功耗運(yùn)行，內(nèi)核電壓在0.9 V時(shí)比1.2 V時(shí)要好得多。

除以上這些總體概要外，更重要的事實(shí)是，根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能和能量基準(zhǔn)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，確定了系統(tǒng)的性能。而這些基準(zhǔn)可以公開得到，并可得到獨(dú)立權(quán)威的驗(yàn)證。
使用EEMBC Auto-Bench基準(zhǔn)和Energy-Bench基準(zhǔn)，可以得到一致的性能分析，很容易演示給其他人。而且，可以被重復(fù)、驗(yàn)證。
設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)通常是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，幾乎每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都有相對(duì)唯一的硬件配置。對(duì)于特定的嵌入式操作系統(tǒng)，經(jīng)常需要重寫特定的代碼。對(duì)此通常還有非常嚴(yán)格的能耗限制。本文給出了量化的科學(xué)測(cè)試方法以幫助嵌入式工程師考慮如何選擇適合于特定應(yīng)用的控制器來構(gòu)建系統(tǒng)。即使所測(cè)試的嵌入式系統(tǒng)差異很大，確鑿的數(shù)據(jù)仍可以幫助系統(tǒng)評(píng)估者比較相同的性能特征。
在本文的測(cè)試設(shè)置中，使用了EEMBC的特性工具來決定恩智浦微控制器的性能。然后使用這些性能信息為特定的運(yùn)行環(huán)境選擇最好的控制參數(shù)。該測(cè)試?yán)塘炕嗽u(píng)估系統(tǒng)中使用微控制器的指令緩存和浮點(diǎn)協(xié)處理器的系統(tǒng)性能。收集到的特征數(shù)據(jù)方便定義系統(tǒng)行為，并提供一種方法學(xué)來選擇運(yùn)行參數(shù)以控制系統(tǒng)性能和能量消耗。
測(cè)試結(jié)果表明，硬件向量浮點(diǎn)運(yùn)算單元的使用可以使系統(tǒng)性能提高5倍左右，并可減少代碼量，降低功耗。
硬件浮點(diǎn)協(xié)處理器VFP9是NXP基于ARM926EJ-S內(nèi)核的LPC3000系列的特征，NXP低功耗的90 nm工藝技術(shù)可以以非常小的芯片面積和極小的功耗實(shí)現(xiàn)這一功能，使得LPC3000 ARM9微控制器非常適合需要進(jìn)行信號(hào)處理的醫(yī)療電子等行業(yè)應(yīng)用。