Как выбрать микроконтроллер для приложений цифровой обработки сигналов

В этой статье обсуждаются функции, на которые следует обратить внимание, когда вам нужно, чтобы микроконтроллер действовал как системный контроллер и как процессор цифровых сигналов.

В этой статье обсуждаются функции, на которые следует обратить внимание, когда микроконтроллер должен действовать как системный контроллер и процессор цифровых сигналов.

Цифровая обработка сигналов может добавить ценные функции к широкому спектру продуктов и приложений. Даже проекты, ограниченные стоимостью, форм-фактором или графиком, могут легко включать преимущества DSP, потому что в настоящее время инженеры имеют доступ к обилию библиотечного кода, примерам проектов и высокопроизводительным процессорам, которые являются недорогими и относительно удобными для пользователя. .

Настоящий цифровой сигнальный процессор, такой как часть семейства C5000 от Texas Instruments или семейства SHARC от Analog Devices, может быть устрашающим устройством. Я работал в основном с DSP от Texas Instruments, и в целом опыт был продуктивным и удовлетворительным. Однако в этом случае мне не нужно было проектировать печатную плату, и мне не нравился процесс отладки странных сбоев системы и понимания деталей операционной системы.

Нет сомнений в том, что для выполнения некоторых ресурсоемких задач DSP потребуется настоящий цифровой сигнальный процессор или даже ПЛИС. Однако верно и то, что во многих приложениях будет достаточно правильно подобранного микроконтроллера. В этой статье обсуждаются характеристики и возможности, на которые вам нужно обратить внимание, если вы хотите, чтобы ваш MCU обладал достаточной мощностью DSP.

8-битный, 16-битный или 32-битный?

Этот вопрос менее очевиден, чем вы думаете. В общем, для приложений DSP больше подходят 16-битные и 32-битные устройства. Цифровая обработка сигналов включает математические процедуры, которые часто приводят к большим числам, и вам нужен процессор, который может напрямую манипулировать этими большими числами.

Однако 8-битная обработка по своей сути неплоха, и если вы знаете, что будете иметь дело с ограниченным диапазоном цифровых значений, 8-битный микроконтроллер может быть хорошим выбором.

Более того, у инженеров часто нет времени или желания изучать низкоуровневые детали процессора, и, следовательно, может быть трудно установить четкую связь между указанной шириной в битах и ​​реальной вычислительной эффективностью. Например, есть ли у «32-битного микроконтроллера» 32-битные регистры? 32-битный ALU? 32-битная адресная шина? 32-битный интерфейс связи? Что именно означает «32-битный»? Эти детали могут повлиять на ваше решение, особенно если вы планируете иметь дело в основном с небольшими числами, которым не нужны все эти дополнительные биты.

Эта модернизированная 8-битная архитектура была разработана Silicon Labs (диаграмма взята из этого документа). Они предостерегают от предположения, что 16-битное или 32-битное устройство будет стабильно превосходить 8-битное устройство.

Тактовая частота

Максимальная тактовая частота микроконтроллера, безусловно, является хорошим показателем его достоинств как процессора цифровых сигналов. Однако важно понимать разницу между тактовыми циклами в секунду и инструкциями в секунду. Процессор выполняет задачи DSP, выполняя инструкции, и, следовательно, на его производительность влияют как тактовая частота, так и количество тактовых циклов, необходимых для выполнения инструкций.

К сожалению, этот вопрос быстро усложняется. Количество тактов, необходимых для инструкции, варьируется от одной инструкции к другой, и среднее количество тактовых циклов на инструкцию можно уменьшить, используя конвейерную архитектуру. Затем вы должны учитывать количество «функциональных возможностей на инструкцию» - то есть, возможно, микроконтроллеру A нужна только одна инструкция, чтобы сделать что-то, что потребовало бы нескольких инструкций на микроконтроллере B.

Эта диаграмма передает концепцию конвейерного процессора. См. Эту статью для получения дополнительной информации. Колин М.Л. Бернетт [CC-BY-SA-3.0].

Вот моя сокращенная рекомендация:если вы сравниваете устройства из одного семейства, выберите более высокую тактовую частоту. Если вы сравниваете устройства с серьезными архитектурными различиями, попробуйте найти надежную спецификацию, которая указывает либо скорость выполнения инструкций (выраженная в MIPS, миллионы инструкций в секунду), либо среднее количество тактовых циклов на инструкцию.

Фиксированная точка и плавающая точка

Термин «с плавающей точкой» относится к числовому представлению, в котором точка счисления может «плавать», потому что число состоит из целой части (мантиссы) и экспоненты. Альтернатива («с фиксированной точкой») соответствует тому способу, которым мы обычно обрабатываем и воспринимаем данные в обычном микроконтроллере. Тщательное сравнение арифметики с плавающей запятой и арифметики с фиксированной запятой отнюдь не является простой задачей, но, похоже, существует консенсус в отношении того, что обработка с плавающей запятой может быть лучше в математически интенсивных приложениях.

Я думаю, можно с уверенностью сказать, что все микроконтроллеры являются устройствами с фиксированной запятой, потому что, по моему мнению, если это действительно процессор с плавающей запятой, это уже не микроконтроллер. Однако, если вы действительно настроены максимизировать свои математические характеристики, оставаясь в пределах домена микроконтроллера, вам следует подумать об устройстве, которое включает co с плавающей запятой. процессор.

LPC3180FEL320 от NXP, 16/32-битный микроконтроллер на базе Arm, имеет сопроцессор с плавающей запятой и может достигать 220 MIPS. STMicroelectronics также имеет микроконтроллеры STM32, которые включают блок с плавающей запятой (FPU).

Я использовал математику с плавающей запятой в моем проекте кругового сенсорного датчика. В большинстве случаев отдельный FPU не нужен - компиляторы хорошо умеют реализовывать переменные с плавающей запятой в типичных микроконтроллерах.

Резюме

В этой статье мы исследовали характеристики процессора, которые делают микроконтроллер более или менее подходящим для приложений DSP. Я думаю, что в большинстве ситуаций имеет смысл сосредоточиться на битовой ширине и MIPS - вам не нужно сильно беспокоиться о плавающей точке по сравнению с фиксированной точкой, если вы не планируете серьезно обрабатывать числа с вашим MCU. Мы продолжим эту тему в следующей статье, в которой будут обсуждаться периферийные функции DSP.

Знакомство с серией микроконтроллеров

Эта статья является частью большой серии. Вы можете найти остальные статьи ниже:

• Что такое микроконтроллер? Введение в центральный компонент бесчисленных электронных устройств.
• Как выбрать правильный микроконтроллер для вашего приложения
• Как читать техническое описание микроконтроллера:введение и первые шаги
• Как читать техническое описание микроконтроллера:изучение оборудования