具有硬件矢量浮點(diǎn)運算單元的微控制器在醫療電子中

如今，越來(lái)越多的嵌入式控制應用需要信號處理，如：濾波、插值、降噪、頻譜分析、解調等。醫療電子設備正是需要進(jìn)行信號處理的一個(gè)應用領(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、增強以及圖像識別和辨識形狀時(shí)均需要進(jìn)行大量的數字信號處理。用于胎心、血壓和心跳等監護的控制平臺，其運算模塊也會(huì )對采樣得到的原始數據經(jīng)過(guò)一定的算法處理，再將處理和分析結果通過(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算資源來(lái)做這些工作。今天，內置浮點(diǎn)運算的強大微控制器開(kāi)始出現，32 bit微控制器有足夠的能力來(lái)實(shí)現其中的許多功能。

評估微控制器的性能
相比于專(zhuān)業(yè)的DSP處理器，微控制器用于信號處理具有如下優(yōu)勢：
(1)有效的循環(huán)控制；(2)豐富的外設；(3)單一的處理器結構、指令集和開(kāi)發(fā)工具鏈；(4)統一的中斷和任務(wù)切換環(huán)境，同類(lèi)存儲器；(5)同樣的操作系統同時(shí)管理控制和信號處理任務(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。
如何評估微控制器的性能是否滿(mǎn)足應用需求，是工程師在項目設計的早期階段需要考慮的問(wèn)題。評價(jià)和匯總來(lái)自數據手冊的信息是一種有效方法，另一種方法是使用某一類(lèi)型的評估板來(lái)進(jìn)行特定性能測試和功耗測試的方法。這兩類(lèi)方法都有各自的缺點(diǎn)。
依賴(lài)于數據手冊的比較是有風(fēng)險的，而測試多種硬件通常不切實(shí)際、耗時(shí)且昂貴。本文檢驗了一種使用工業(yè)標準基準數據的中間解決方案，在產(chǎn)品設計的早期階段，當關(guān)鍵器件選定以后，使用這種方法來(lái)評估性能和能耗。
目標是調查恩智浦微控制器在幾種不同測試標準下的系統性能，并把收集到的數據和能耗關(guān)聯(lián)起來(lái)。這就需要同時(shí)測量性能和功耗，進(jìn)而能夠測量在特定負載下的整體能耗。
在評估過(guò)程中，使用了三個(gè)步驟：(1)通過(guò)運行各種系統測試基準，并改變不同的系統參數，抽象出系統特征；(2)解釋收集的特征數據來(lái)確立系統的行為；(3)通過(guò)系統的行為決定怎樣設定控制參數，從而使系統表現達到預想的效果。

特征化
從理論上來(lái)說(shuō)，性能測試是對運作系統式樣的質(zhì)化或量化評估。在實(shí)際應用中，系統的式樣可能不夠詳細，不足以定義完整的質(zhì)量測試，創(chuàng )建測試也許太昂貴，不能保證其開(kāi)發(fā)。一個(gè)比較好的得到系統特征的折衷方法是，使用測試基準作為一個(gè)或一系列以軟件執行的測試，提供量化的數據，這些數據可以用來(lái)比較不同系統的特性。
為得到微控制器的特性，從EEMBC的Auto-Bench組選擇一套性能測試基準。這些基準幫助預測微控制器在汽車(chē)電子，工業(yè)和一般應用中的性能。運行每一個(gè)基準測試都通過(guò)多次反復循環(huán)以消除一些啟動(dòng)代碼在每次測試開(kāi)始時(shí)只運行一次的影響。使用這一工業(yè)標準基準組件的一個(gè)優(yōu)勢就是可以將結果數據與其他類(lèi)似架構微控制器的測試數據進(jìn)行比較，以評判總體系統性能。
這里所測試的微控制器是基于A(yíng)RM926EJ-S內核，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)運行Auto-Bench測試基準，使用Energy-Bench測量每一基準執行中消耗的能量。Energy-Bench是另一個(gè)EEMBC工具，可以測量基準負載運行時(shí)處理器消耗的能量。從Energy-Bench收集的數據可以觀(guān)察到微控制器在各種不同負載下的能量效率。選擇了這些工具來(lái)評估微控制器，下一步就是確定微控制器在不同運行條件下的性能。

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響應。在測試項目中，需要評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。
運行Auto-bench基準測試組，改變4個(gè)參數：運行頻率、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)。