DSP+FPU給MCU架構設計帶來(lái)的新思路

圖4 ： DSP加上FPU，對于近年來(lái)相當火熱的感測器融合技術(shù)有相當大的發(fā)揮空間。(Source：意法半導體)

黎柏均指出，導入FPU的另一個(gè)好處在于，可以利用FPU的運算能力，以數字方式進(jìn)行濾波，以進(jìn)一步提升SNR值，所以像是工業(yè)電表、量測與生理訊號等，都是十分適合的終端應用。黎柏均強調，過(guò)去的確在訊號鏈上，的確有用放大器與濾波器等類(lèi)比元件來(lái)處理雜訊的問(wèn)題，但這種作法，多少還是會(huì )有失真的問(wèn)題存在，因此采用數字濾波的方式，亦不失為一種作法，此外還有可能可以省去一些不必要的系統成本。

然而，黎柏均也透露，讓MCU搭載FPU之后，系統業(yè)者為了能提升整體系統的效能或是解析度，在A(yíng)DC的采用上，可能就會(huì )更加大膽，一口氣進(jìn)入16位元甚至是24位元的規格，原因在于這類(lèi)ADC所面臨的雜訊現象會(huì )更加嚴重，透過(guò)FPU來(lái)處理，不失為一種作法。

FPU仍有局限?TI提供其他硬體加速單元

不過(guò)，如同陳俊宏所提到的，如果DSP要處理的工作十分多元，意味著(zhù)需要更多元的工具來(lái)加以因應，單靠FPU這樣的硬體加速單元仍有不足之處。

陳俊宏透露，延續TI的C2000架構，TI進(jìn)一步推出了如TMU與VMU硬體加速單元，前者專(zhuān)職于三角函數運算(偏重馬達應用)，后者則負責復數運算(對應通訊與軟體定義無(wú)線(xiàn)電)，既有的FPU就負責分數與小數點(diǎn)的運算工作，透過(guò)分工合作的方式，來(lái)因應客戶(hù)不同的運算工作需求。他更舉例，就算是馬達所需要的運算工作，因應不同的馬達類(lèi)型，TI也能給予不同的DSP架構來(lái)對應。

架構異曲同工MCU仍有市場(chǎng)區隔

就Cortex-M4 MCU而言，ST所提供的產(chǎn)品線(xiàn)相當廣泛，核心時(shí)脈從最低的72MHz到最高的180MHz，中間亦有84MHz、100MHz、168MHz的版本，這些不同核心時(shí)脈的產(chǎn)品，自然也對應到不同應用。STMF3(核心時(shí)脈為72MHz)系列，就是要因應既有的Cortex-M3的升級而推出的版本，其他如 STMF401(核心時(shí)脈為84MHz)與STMF411(核心時(shí)脈為100MHz)，是為了因應穿戴式與高C/P應用為主。而ST的STMF479，其核心時(shí)脈高達180MHz，也搭載繪圖引擎，專(zhuān)攻人機介面應用。

不過(guò)，撇除應用面不談，英飛凌在尚未導入Cortex-M4前，就已有FPU(浮點(diǎn)運算單元)與DSP(數字信號處理器)的MCU產(chǎn)品線(xiàn)：TriCore系列。該系列產(chǎn)品線(xiàn)，早在1999年就已經(jīng)面世。

英飛凌電源管理與多元電子事業(yè)處亞太區市場(chǎng)部資深經(jīng)理黃志鴻表示，當初英飛凌設計TriCode，本身就具備了DSP與FPU的功能，就應用面而言，就聚焦在汽車(chē)領(lǐng)域。而談到先前就引進(jìn)Cortex-M4的原由，黃志鴻也直言，所鎖定的應用就是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，再加上ARM架構在全球市場(chǎng)中，本來(lái)就有其普遍性，并進(jìn)一步取得過(guò)去由傳統的DSP業(yè)者所壟斷的市場(chǎng)。Cortex-M4在先天上，本身就具備即時(shí)性的特性，像是近期英飛凌所聚焦的工業(yè)乙太網(wǎng)路與工業(yè)標準SIL3、SIL4等，都十分適合。

圖5 ： 乙太網(wǎng)路進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域后，成了重要的網(wǎng)路通訊技術(shù)，由于有其普遍性與開(kāi)放性，采用開(kāi)放的處理器核心來(lái)提供MCU方案，也是合理的選擇。(Source：www.datacenterdynamics.com)

所以英飛凌的產(chǎn)品區隔相當明顯，擁有FPU與DSP的MCU產(chǎn)品線(xiàn)，延續TriCode架構，進(jìn)而一脈相承的AURIX，聚焦車(chē)用應用，取得ARM授權的Cortex-M4，就扛下工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的責任。當然，英飛凌對于Cortex-M4也還有其他的期待，像是數字電源與馬達控制領(lǐng)域，英飛凌也開(kāi)始嘗試利用Cortex-M4 MCU打入其應用。他也不諱言，DSP也的確存在相當長(cháng)的一段時(shí)間，產(chǎn)業(yè)界有不少工程師對于DSP本來(lái)就有相當高的熟悉度，MCU約莫是在三年前左右，才開(kāi)始導入DSP功能。

圖6 ： 車(chē)用電子產(chǎn)業(yè)的特性相對較為封閉，盡管在車(chē)用處理器可以看到ARM有明顯的市占率表現，但在MCU方面，還是由各大車(chē)用半導體所提供的自主架構居多， ARM的能見(jiàn)度相對較低。(Source：www.teijinaramid.com)

而黃志鴻也強調，Cortex-M4還是有其局限性在，像是視訊系統的設計，還是要透過(guò)DSP來(lái)處理會(huì )較為適當。像是高速鐵路或是風(fēng)力發(fā)電系統等應用，普遍來(lái)看還是傳統的DSP業(yè)者主導。但如果是電動(dòng)機車(chē)、一般風(fēng)扇、家電與智慧家庭等，就有FPU功能的MCU的發(fā)揮空間。

談到數字電源，同樣也有類(lèi)似的情況，黃志鴻表示，從功率大小來(lái)區分，從500瓦以上的系統設計，如伺服器或是電信設備的AC/DC電源，市場(chǎng)上還是以傳統DSP架構為主，但也的確有不少擁有Cortex-M4 MCU的業(yè)者對于該市場(chǎng)，有相當高的興趣。

圖7 ： 數字電源在電源設計領(lǐng)域漸漸成為主流，市場(chǎng)也開(kāi)始有了用MCU來(lái)進(jìn)行數字電源設計。(攝影：姚嘉洋)

MCU多元架構并陳定位仍有不同

徐達勇表示，將DSP與FPU加以整合，無(wú)需外掛的好處在于，系統工程師可以用同一套的偵錯與編譯器等工具，進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)單說(shuō)，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)環(huán)境對于系統開(kāi)發(fā)而言，可以提升不少效率。在過(guò)去，采用DSP設計，會(huì )有些設計方法必須動(dòng)用組合語(yǔ)言的作法才能完成，但是，MCU的開(kāi)發(fā)，最終還是要回歸到C語(yǔ)言的撰寫(xiě)。若把DSP導入與MCU一同合作，ARM在作法上，就是統一采用C語(yǔ)言的方式，來(lái)統一DSP、FPU的撰寫(xiě)方式，解決了過(guò)去組合語(yǔ)言所造成的困擾。然而，陳俊宏也強調，事實(shí)上組合語(yǔ)言是更為細膩的程式語(yǔ)法，對于工作執行上能更有效率，TI近年來(lái)也不斷努力，讓C語(yǔ)言與組合語(yǔ)言?xún)烧咧g的差異縮小，以讓使用者能有更多的選擇。