DSP+FPU給MCU架構設計帶來(lái)的新思路

自從MCU(微控制器)導入了DSP(數字信號處理器)與FPU(Floating Point Unit;浮點(diǎn)運算單元)功能后，MCU可以拓展的應用范圍便大幅增加，這幾年來(lái)，諸多MCU大廠(chǎng)都紛紛導入，使得MCU市場(chǎng)戰局變得更加詭譎多變。各家大廠(chǎng)就MCU的產(chǎn)品策略也不盡相同。

然而，盡管應用面大幅增加，但DSP與FPU在功能上要如何區分?彼此的關(guān)系是什么?這在A(yíng)RM推出了Cortex-M4后，這類(lèi)的議題才開(kāi)始漸漸被市場(chǎng)所重視。

DSP、FPU不再高不可攀

瑞薩電子營(yíng)業(yè)行銷(xiāo)事業(yè)部第一營(yíng)業(yè)行銷(xiāo)部副理黎柏均表示，其實(shí)FPU的導入，還是要考量成本的問(wèn)題，若不需要，其實(shí)采用定點(diǎn)運算的MCU來(lái)因應系統需求即可。一般來(lái)說(shuō)，SOC(系統單芯片)才會(huì )有所謂的DSP與FPU這類(lèi)硬體加速器，其主要的功能大多負責影像或是音訊處理的工作，但隨著(zhù)制程的進(jìn)步，MCU在32位元架構也日趨成熟，所以MCU就開(kāi)始能沿用SOC的部份功能，并進(jìn)一步拓展MCU的應用范圍。黎柏均更直言，在早期，SOC與MCU之間有不小的價(jià)格差距。

圖1 ： SOC本身就具備一定的DSP與FPU的功能，價(jià)格上也比MCU來(lái)得昂貴。(攝影：姚嘉洋)

不過(guò)，黎柏均認為，在現有市場(chǎng)所存在的MCU產(chǎn)品，即便主要供應商都能提供FPU的功能，但事實(shí)上，各家大廠(chǎng)的產(chǎn)品之間并沒(méi)有什么距離，關(guān)鍵最多就是在程式的執行效率上，能否形成差異。在過(guò)去，若要由定點(diǎn)運算架構的MCU來(lái)處理FPU的工作，會(huì )多出不少時(shí)間出來(lái)，而且也需要大量的記憶體資源，但有了 FPU的導入后，其目標程式碼就能夠縮小，記憶體容量也能減少10%。換言之，若沒(méi)有時(shí)間上的考量，MCU是否要導入FPU，嚴格來(lái)看，并沒(méi)有太大的差別存在。TI(德州儀器)亞洲區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理陳俊宏也同意，利用定點(diǎn)運算的MCU來(lái)處理FPU要處理的工作，也并非不行，但就是需要耗費大量的記憶體資源與長(cháng)時(shí)間的等待，來(lái)取得所要的運算結果，FPU的存在，就是要避免這樣的情況出現。

不論是從ARM或是TI，這些大廠(chǎng)對于DSP與FPU的看法，

仍然有一些差異存在，但也因此，讓MCU市場(chǎng)形成了多元并陳的景象。

在過(guò)去，傳統的8位元架構，在資料處理上仍然有其極限存在，陳俊宏指出，傳統的定點(diǎn)運算MCU在進(jìn)行所謂的分數或是小數點(diǎn)計算，因為MCU本身的位元數有限，在面臨無(wú)法除盡而形成無(wú)窮數值(如1/3或是3/7等)的計算上，就必須有所取舍，在位元數有限而采取的有限數值，勢必與現實(shí)計算上而形成的數值產(chǎn)生一定的誤差，這種情形我們稱(chēng)為：截斷誤差。在這種情況下，若要利用傳統MCU的處理器核心來(lái)處理分數運算，只會(huì )造成截斷誤差的不斷擴大。為了有效處理截斷誤差不斷擴大的問(wèn)題，便有了FPU的出現。

回顧MCU的發(fā)展歷程，從傳統的8位元架構一路發(fā)展至今，已經(jīng)進(jìn)入到可以采用FPU與DSP等功能。之所以會(huì )有如此的進(jìn)化，主因來(lái)自于從類(lèi)比端擷取資料后，轉換成數字化，將「連續型」資料轉為「離散型」資料」以利于處理器進(jìn)行運算。

圖2 ： MCU的世界中，截斷誤差一直存在著(zhù)，若要考量到高精度，如何減少截斷誤差的現象，就成了大家努力的方向之一。(Source：www.youtube.com)

陳俊宏談到，FPU并不能完全解決截斷誤差不斷擴大的現象，精確地說(shuō)，只能將該現象盡可能地減少。陳俊宏進(jìn)一步指出，從TI的角度來(lái)看，DSP要處理運算種類(lèi)相當多種，所以需要更多的工具來(lái)處理不同需求。

延續陳俊宏的論述，Imagination MIPS業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)資深經(jīng)理Ian Anderton也指出，DSP可利用乘法/累加(MAC)指令、飽和、舍入和位元操作來(lái)執行多種數學(xué)運算─ 這些都是快速傅立葉轉換(FFT)和有限脈沖響應(FIR)等高效過(guò)濾器開(kāi)發(fā)所需的基本功能。DSP同時(shí)也能支援并執行多種應用中所使用的8、16和32 位元整數與分數資料長(cháng)度。透過(guò)單周期MAC指令、SIMD(單一指令多重資料)和特殊的位元操作，DSP效能還可獲得進(jìn)一步的增強。

FPU與DSP的相輔相成

ST(意法半導體)資深產(chǎn)品行銷(xiāo)經(jīng)理楊正廉則是談到，針對訊號處理、數值運算與對應到各種應用的演算法，DSP與FPU某程度上，是相輔相成的角色，很難被加以拆分。當然，他也表示，ARM所推出的Cortex-M4核心，也有僅搭載DSP而沒(méi)有FPU的版本，但若要讓客戶(hù)能發(fā)揮更多的創(chuàng )意，那么就架構上就一次到位，也能省去不少不必要的麻煩。

圖3 ： 某程度上，一次提供到位的硬體資源，工程師可以發(fā)揮更多的創(chuàng )意與想法。(Source：www.access2knowledge.org)

呼應楊正廉的說(shuō)法，ARM臺灣應用工程經(jīng)理徐達勇指出，從應用面來(lái)說(shuō)，楊正廉的看法并沒(méi)有問(wèn)題。當然，FPU與DSP各自也有其定位。徐達勇舉例：0.8+0.5=1.3，這種運算工作就是由FPU來(lái)負責，但是如果要同時(shí)計算：「0.8+0.5=?與1.3+0.9=?」的話(huà)，就必須借重DSP 的運算功能，所以FPU與DSP的密不可分，的確有其道理。楊正廉表示，廣義來(lái)看，讓MCU具備DSP與FPU功能，主要的目的在于能讓MCU的客戶(hù)群能夠享受到DSP與FPU帶來(lái)的功能與便利性，而過(guò)往采用DSP架構的客戶(hù)群，也能有機會(huì )轉移到MCU平臺。

Ian Anderton也從應用面出發(fā)，并以感測器融合(Sensor Fusion)為例，感測器融合是指把多個(gè)感測器結合在單一系統中共同運作。它需要高階的訊號處理功能，才能把訊號從嘈雜的環(huán)境中區隔出來(lái)。感測器融合可提供即時(shí)校正與調整控制，這是一種有限時(shí)間(time-limited)的應用，僅能透過(guò)利用DSP和FPU的協(xié)同處理功能來(lái)實(shí)現高效、高精密度的計算。此外，包括加速器、陀螺儀、壓力/溫度/觸控等各種感測器，以及其他擁有個(gè)別控制/管理演算法的感測器也增加了更多的挑戰，必須采用DSP/FPU才能設計出高效的系統。