DSP+FPU給MCU架構設計帶來的新思路

自從MCU(微控制器)導入了DSP(數(shù)字信號處理器)與FPU(Floating Point Unit;浮點運算單元)功能后，MCU可以拓展的應用范圍便大幅增加，這幾年來，諸多MCU大廠都紛紛導入，使得MCU市場戰(zhàn)局變得更加詭譎多變。各家大廠就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(qū)分?彼此的關系是什么?這在ARM推出了Cortex-M4后，這類的議題才開始漸漸被市場所重視。

DSP、FPU不再高不可攀

瑞薩電子營業(yè)行銷事業(yè)部第一營業(yè)行銷部副理黎柏均表示，其實FPU的導入，還是要考量成本的問題，若不需要，其實采用定點運算的MCU來因應系統(tǒng)需求即可。一般來說，SOC(系統(tǒng)單芯片)才會有所謂的DSP與FPU這類硬體加速器，其主要的功能大多負責影像或是音訊處理的工作，但隨著制程的進步，MCU在32位元架構也日趨成熟，所以MCU就開始能沿用SOC的部份功能，并進一步拓展MCU的應用范圍。黎柏均更直言，在早期，SOC與MCU之間有不小的價格差距。

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

不過，黎柏均認為，在現(xiàn)有市場所存在的MCU產(chǎn)品，即便主要供應商都能提供FPU的功能，但事實上，各家大廠的產(chǎn)品之間并沒有什么距離，關鍵最多就是在程式的執(zhí)行效率上，能否形成差異。在過去，若要由定點運算架構的MCU來處理FPU的工作，會多出不少時間出來，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，若沒有時間上的考量，MCU是否要導入FPU，嚴格來看，并沒有太大的差別存在。TI(德州儀器)亞洲區(qū)市場開發(fā)經(jīng)理陳俊宏也同意，利用定點運算的MCU來處理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時間的等待，來取得所要的運算結果，F(xiàn)PU的存在，就是要避免這樣的情況出現(xiàn)。

不論是從ARM或是TI，這些大廠對于DSP與FPU的看法，

仍然有一些差異存在，但也因此，讓MCU市場形成了多元并陳的景象。

在過去，傳統(tǒng)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(tǒng)的定點運算MCU在進行所謂的分數(shù)或是小數(shù)點計算，因為MCU本身的位元數(shù)有限，在面臨無法除盡而形成無窮數(shù)值(如1/3或是3/7等)的計算上，就必須有所取舍，在位元數(shù)有限而采取的有限數(shù)值，勢必與現(xiàn)實計算上而形成的數(shù)值產(chǎn)生一定的誤差，這種情形我們稱為：截斷誤差。在這種情況下，若要利用傳統(tǒng)MCU的處理器核心來處理分數(shù)運算，只會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題，便有了FPU的出現(xiàn)。

回顧MCU的發(fā)展歷程，從傳統(tǒng)的8位元架構一路發(fā)展至今，已經(jīng)進入到可以采用FPU與DSP等功能。之所以會有如此的進化，主因來自于從類比端擷取資料后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字化，將「連續(xù)型」資料轉(zhuǎn)為「離散型」資料」以利于處理器進行運算。

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

陳俊宏談到，F(xiàn)PU并不能完全解決截斷誤差不斷擴大的現(xiàn)象，精確地說，只能將該現(xiàn)象盡可能地減少。陳俊宏進一步指出，從TI的角度來看，DSP要處理運算種類相當多種，所以需要更多的工具來處理不同需求。

延續(xù)陳俊宏的論述，Imagination MIPS業(yè)務開發(fā)資深經(jīng)理Ian Anderton也指出，DSP可利用乘法/累加(MAC)指令、飽和、舍入和位元操作來執(zhí)行多種數(shù)學運算─ 這些都是快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)和有限脈沖響應(FIR)等高效過濾器開發(fā)所需的基本功能。DSP同時也能支援并執(zhí)行多種應用中所使用的8、16和32 位元整數(shù)與分數(shù)資料長度。透過單周期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)品行銷經(jīng)理楊正廉則是談到，針對訊號處理、數(shù)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而沒有FPU的版本，但若要讓客戶能發(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)

呼應楊正廉的說法，ARM臺灣應用工程經(jīng)理徐達勇指出，從應用面來說，楊正廉的看法并沒有問題。當然，F(xiàn)PU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來負責，但是如果要同時計算：「0.8+0.5=?與1.3+0.9=?」的話，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，廣義來看，讓MCU具備DSP與FPU功能，主要的目的在于能讓MCU的客戶群能夠享受到DSP與FPU帶來的功能與便利性，而過往采用DSP架構的客戶群，也能有機會轉(zhuǎn)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感測器結合在單一系統(tǒng)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(qū)隔出來。感測器融合可提供即時校正與調(diào)整控制，這是一種有限時間(time-limited)的應用，僅能透過利用DSP和FPU的協(xié)同處理功能來實現(xiàn)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，以及其他擁有個別控制/管理演算法的感測器也增加了更多的挑戰(zhàn)，必須采用DSP/FPU才能設計出高效的系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

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

黎柏均指出，導入FPU的另一個好處在于，可以利用FPU的運算能力，以數(shù)字方式進行濾波，以進一步提升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(diào)，過去的確在訊號鏈上，的確有用放大器與濾波器等類比元件來處理雜訊的問題，但這種作法，多少還是會有失真的問題存在，因此采用數(shù)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(tǒng)成本。

然而，黎柏均也透露，讓MCU搭載FPU之后，系統(tǒng)業(yè)者為了能提升整體系統(tǒng)的效能或是解析度，在ADC的采用上，可能就會更加大膽，一口氣進入16位元甚至是24位元的規(guī)格，原因在于這類ADC所面臨的雜訊現(xiàn)象會更加嚴重，透過FPU來處理，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，如同陳俊宏所提到的，如果DSP要處理的工作十分多元，意味著需要更多元的工具來加以因應，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(xù)TI的C2000架構，TI進一步推出了如TMU與VMU硬體加速單元，前者專職于三角函數(shù)運算(偏重馬達應用)，后者則負責復數(shù)運算(對應通訊與軟體定義無線電)，既有的FPU就負責分數(shù)與小數(shù)點的運算工作，透過分工合作的方式，來因應客戶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，因應不同的馬達類型，TI也能給予不同的DSP架構來對應。

架構異曲同工MCU仍有市場區(qū)隔

就Cortex-M4 MCU而言，ST所提供的產(chǎn)品線相當廣泛，核心時脈從最低的72MHz到最高的180MHz，中間亦有84MHz、100MHz、168MHz的版本，這些不同核心時脈的產(chǎn)品，自然也對應到不同應用。STMF3(核心時脈為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(核心時脈為84MHz)與STMF411(核心時脈為100MHz)，是為了因應穿戴式與高C/P應用為主。而ST的STMF479，其核心時脈高達180MHz，也搭載繪圖引擎，專攻人機介面應用。

不過，撇除應用面不談，英飛凌在尚未導入Cortex-M4前，就已有FPU(浮點運算單元)與DSP(數(shù)字信號處理器)的MCU產(chǎn)品線：TriCore系列。該系列產(chǎn)品線，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(qū)市場部資深經(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，就聚焦在汽車領域。而談到先前就引進Cortex-M4的原由，黃志鴻也直言，所鎖定的應用就是工業(yè)自動化領域，再加上ARM架構在全球市場中，本來就有其普遍性，并進一步取得過去由傳統(tǒng)的DSP業(yè)者所壟斷的市場。Cortex-M4在先天上，本身就具備即時性的特性，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)路進入工業(yè)領域后，成了重要的網(wǎng)路通訊技術，由于有其普遍性與開放性，采用開放的處理器核心來提供MCU方案，也是合理的選擇。(Source：www.datacenterdynamics.com)

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

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

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

談到數(shù)字電源，同樣也有類似的情況，黃志鴻表示，從功率大小來區(qū)分，從500瓦以上的系統(tǒng)設計，如伺服器或是電信設備的AC/DC電源，市場上還是以傳統(tǒng)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，有相當高的興趣。

圖7 ： 數(shù)字電源在電源設計領域漸漸成為主流，市場也開始有了用MCU來進行數(shù)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，無需外掛的好處在于，系統(tǒng)工程師可以用同一套的偵錯與編譯器等工具，進行系統(tǒng)開發(fā)，簡單說，簡化開發(fā)環(huán)境對于系統(tǒng)開發(fā)而言，可以提升不少效率。在過去，采用DSP設計，會有些設計方法必須動用組合語言的作法才能完成，但是，MCU的開發(fā)，最終還是要回歸到C語言的撰寫。若把DSP導入與MCU一同合作，ARM在作法上，就是統(tǒng)一采用C語言的方式，來統(tǒng)一DSP、FPU的撰寫方式，解決了過去組合語言所造成的困擾。然而，陳俊宏也強調(diào)，事實上組合語言是更為細膩的程式語法，對于工作執(zhí)行上能更有效率，TI近年來也不斷努力，讓C語言與組合語言兩者之間的差異縮小，以讓使用者能有更多的選擇。[!--empirenews.page--]

徐達勇也同意，目前MCU市場除了ARM架構外，的確也存在其他不同的架構，讓DSP與FPU形成多元共存的局面。他也坦言，在架構上，各家其實并沒有太大的差異，唯一能形成區(qū)別的，大概就是在效能與開發(fā)工具能分出高低而已。

而近年來，如英飛凌與瑞薩科技等，先后導入Cortex-M4核心，也使得MCU戰(zhàn)場顯得更詭譎多變。徐達勇強調(diào)，近年來產(chǎn)業(yè)界不斷地在談物聯(lián)網(wǎng)，這意味著需要用更為開放的架構來因應物聯(lián)網(wǎng)的設計需求，而這必須透過完整的生態(tài)系統(tǒng)才能作到，畢竟可能還會有第三方演算法設計或是設計工具業(yè)者，能夠提供比 MCU業(yè)者更具競爭力的開發(fā)工??具也不一定，此時就會讓客戶有了更多不同的選擇。他不諱言，有些較為封閉特性的應用，或許采用其他架構的MCU來進行設計，也許就能滿足客戶的需求。

圖8 ： 談到物聯(lián)網(wǎng)，ARM所形塑的生態(tài)系統(tǒng)相當完整，各大一線的MCU業(yè)者幾乎都向ARM靠攏，形成魚幫水，水幫魚的情景。