浮點(diǎn)DSC使控制系統如虎添翼

　　DSC（Digital signal controller，數字信號控制器）是一種面向高端嵌入式系統的最先進(jìn)的單片控制處理器?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/浮點(diǎn)">浮點(diǎn)架構的DSC具有更快的處理速度，所需的程序儲存容量更少，支持更高級的有助于節省功耗的計算算法，同時(shí)進(jìn)一步擴展了系統的性能。浮點(diǎn)編程比定點(diǎn)編程的速度更快，SoC（system-on-a-chip，片上系統）的集成方式能夠有效控制板級空間、元件數量和整體系統開(kāi)銷(xiāo)。

　　隨著(zhù)嵌入式系統承擔的任務(wù)越來(lái)越復雜，不論是降低功耗還是實(shí)現諸如汽車(chē)導航之類(lèi)的新功能，它們都需要具有更高性能的控制處理器。降低能耗的迫切需求影響到了我們使用的各種設備，包括一些用戶(hù)不常見(jiàn)的設備。例如，根據著(zhù)名的能源與自動(dòng)化技術(shù)供應商ABB集團的分析，工業(yè)電機消耗的電能已經(jīng)達到了整個(gè)行業(yè)所用電力的三分之二。雖然可以采用變速控制技術(shù)進(jìn)一步提高電機的運行效率，但是目前只有二十分之一的電機真正采用了支持這一功能的數控電子技術(shù)。盡管如此，變速電機相比同類(lèi)的定速電機每年節省的電能相當于10座電廠(chǎng)的產(chǎn)量，而這10座電廠(chǎng)會(huì )排放約6800萬(wàn)噸二氧化碳氣體。顯然，高級電機控制技術(shù)在降低能耗和保護環(huán)境方面具有更大的優(yōu)勢。

　　引入高級控制技術(shù)降低能耗

　　可再生能源，例如太陽(yáng)能電池和風(fēng)力渦輪機，也是需要采用高級控制技術(shù)的“綠色”能源。與電機一樣，這些能量收集裝置也需要采用高級數控技術(shù)以提高效率。為了將電池板或渦輪機產(chǎn)生的原始電能實(shí)時(shí)轉換成用于電池儲存或設備運行所需的合適電能，我們必須采用一定的控制技術(shù)。由于太陽(yáng)光和風(fēng)力強度會(huì )不斷變化，因此需要采用復雜的算法確保它們始終能夠輸出最大的能量；由于很多可再生能源系統都會(huì )同時(shí)接入電網(wǎng)，所以采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)對于保護設備也是必需的。

　　           圖1 F28335浮點(diǎn)DSC內含一個(gè)用于處理數據傳輸的6通道DMA控制器

　　例如，TI公司推出的F283x浮點(diǎn)DSC（如圖1所示）具有性能高、軟件開(kāi)發(fā)方便等特性，適用于電機與運轉控制、車(chē)載雷達系統和以太陽(yáng)能電池陣列和風(fēng)力渦輪為來(lái)源的可再生能源生成系統。這款32位的DSC系列處理器最高工作頻率可達150MHz，峰值運算速度可達每秒3億次浮點(diǎn)操作（MFLOPS）。

　　相比定點(diǎn)DSC TMS320F28x而言，采用浮點(diǎn)架構之后DSC性能提升了50%。這一系列DSC內含一個(gè)6通道DMA控制器，能夠大大減輕處理器核的數據傳輸管理工作，其軟件更新功能有助于用戶(hù)更方便地開(kāi)發(fā)同一來(lái)源的浮點(diǎn)和定點(diǎn)代碼。

　　浮點(diǎn)運算

　　F283x系列DSC的主要性能優(yōu)勢歸因于它的數值計算格式，這種格式大大簡(jiǎn)化了編程，減少了代碼執行時(shí)間，縮短了代碼長(cháng)度。在其他一些DSC和DSP芯片中普遍的采用定點(diǎn)格式只能夠表示整數（沒(méi)有小數點(diǎn)的正數和負數），因此涉及小數計算時(shí)必須采用其他表示方法。相反，浮點(diǎn)格式能夠表示更大范圍內的實(shí)數（帶小數點(diǎn)的數）。內部表示小數以及較寬的數值范圍意味著(zhù)處理器能夠更高效地執行定標運算（例如控制算法中常見(jiàn)的乘法、除法和三角函數運算）。

　　     圖2 F283x的32位字長(cháng)的前8位用于表示指數。F283x數字信號控制器的32位浮點(diǎn)字

　　對于32位的定點(diǎn)架構，其表示整數的范圍為-231～231，帶一個(gè)符號位。盡管這個(gè)范圍很大，但是當系統執行大量定標運算時(shí)，這一數值范圍會(huì )很快用光，造成數值超過(guò)32位，從而發(fā)生寄存器溢出。程序通過(guò)對這種數值進(jìn)行舍入或截取，能夠處理這種稱(chēng)為飽和的問(wèn)題，但是犧牲了計算的精度。另外，程序可以將較長(cháng)的數劃分成多個(gè)較短的能夠逐段計算的數，每次處理32位。后面這種實(shí)現方法能夠保持全精度，但是由于處理器忙于移動(dòng)和存儲數值段，計算性能降低了。同時(shí)，程序規模也會(huì )由于所需的額外指令而增大了。

　　在這種情況下，浮點(diǎn)架構就顯示出了其性能價(jià)值。如圖2所示，在F283x中，32位字長(cháng)的前8位用于表示指數，其余23位用于表示尾數，1位用作符號位。盡管指數沒(méi)有符號位，但是在操作上對保存的指數進(jìn)行規格化偏移處理，使得指數最終能夠覆蓋負數和正數的范圍。

　　這樣，存儲在32位浮點(diǎn)字中的數的規格化范圍為±1.738～±3.438，大大超過(guò)32位定點(diǎn)數的范圍。由于負指數表示分數，所以這一范圍涵蓋了極小的數到極大的數。這樣大的范圍很難再出現飽和的問(wèn)題，因此，程序就避免了要么通過(guò)舍入或截取犧牲精度，要么通過(guò)使用附加周期和指令對大數值進(jìn)行分段處理而犧牲性能和存儲的兩難問(wèn)題。

　　處理器性能增強

　　表1中列出的運算說(shuō)明了浮點(diǎn)架構為DSC性能帶來(lái)的好處。第一列是控制系統常用的四種算術(shù)運算、三角函數運算和兩種算法（快速傅里葉變換和無(wú)限沖擊響應）。

　　表1 定點(diǎn)及浮點(diǎn)架構性能基準測試比較