分享一篇**，MCU时钟频率高并不一定好

只看该作者 · 2011-9-1 09:04

本帖最后由 jinwandalaohu 于 2011-9-1 09:15 编辑

人们通常用每秒百万条指令(MIPS)来衡量微控制器(MCU)的计算性能，但是没有任何两个MCU/SoC架构是完全相同的，加速不同应用性能的集成度也不相同。因此，在采用适当硬件特性的情况下，固件应用可减少对CPU资源的占用。在移植到不同架构的过程中，如果开发人员只关注MIPS，仅以MIPS来预测应用所需的计算性能，那么就会大错特错了。本文将就典型的计算问题分析MCU/SoC的多种架构特性，目的是说明MIPS并不能真正反映器件的计算性能，并探讨我们应当如何应对这一问题。此外，鉴于目前比较此类产品系统级功能的基准标准较少，本文还将专门重点讨论运行速率在100MHz以下的MCU/SoC器件。100MHz以下架构的特点100MHz以下的MCU通常使用8位、16位或32位架构，数据总线宽度为8位、16位或32位。这些产品也可分为其它多种类型，如Harvard/Von Neumen和RISC与CISC等，每种类型都有其引人关注的不同之处。对大多数MCU而言，不同的指令需要执行不同的机器资源。此外，振荡器频率通常与机器工作周期不同，比如，就经典的8051而言，振荡器的12个周期才相当于机器工作1个周期。而对许多PIC器件而言，4个振荡器周期就对应于1个机器工作周期。下面我们通过一个示例来更好地了说明这一问题。假设某器件的振荡器频率为20MHz，其两个振荡器周期对应于1个机器工作周期。此外，指令执行需要1到6个机器工作周期。那么，该器件的MIPS额定值是多少呢？我们将振荡器频率除以2，得到可用的机器工作周期为1千万。不过，如何将机器工作周期转换为MIPS则取决于我们如何看待这一问题。如果您是营销人员，您会只专注于最佳情况，也就是假定每条指令只要一个工作周期，这样这款产品的性能就是10 MIPS。如果您想了解最低的理论性能，那么就会假定每条指令需要6个工作周期，这就会得到1.66(10/6)MIPS。这里我们得到了最高和最低的MIPS。对典型应用而言，实际的MIPS性能介于二者之间，具体取决于应用的指令集组合。我们这里还作了令一个假定，即认为不同的架构指令计算性能类似，但这基本上是不现实的。我们这里假定机器工作周期数量是决定器件执行指令数量的唯一因素。下面，我们设想一下闪存对处理性能的影响。一般而言，闪存提供数据的速率不超过20MHz。因此，如果CPU运行速率超过20MHz，而用闪存执行指令，那么闪存数据速率就成为了最大的瓶颈。在此情况下，我们可让闪存总线带宽高于数据总线带宽，并创建指令缓冲器以跟上指令速率，从而解决上述问题。要做到这一点，CPU就要在执行当前指令时调用下一条指令。这种做法对线性代码而言没问题。但不幸的是，实际系统代码很少是线性的。每次代码出现分支，指令缓冲器都必须重构。另一种改进性能的办法是添加缓存容量。简而言之，如果一个MCU/SoC管理闪存的效率较高，而另一个效率较低，则即便机器工作循环和指令集相同，性能数据也将大不相同。我们已经比较熟悉类似上述的各种因素，开发人员通常会在比较不同器件的性能时考虑到这些相关因素。下面我们来谈谈某些不太明显的因素。
DMA对MIPS的影响某MCU/SoC器件支持DMA(直接存储器存取)功能，其能将CPU从存储器存取工作中解放出来，从而提高性能。我们怎么评估DMA对MIPS的影响呢？先来看看主模式下串行通信协议SPI的典型使用情况。SPI是一个很好的例子，因为它通常是MCU/SoC上最高吞吐量的板内通信外设，而且配合存储器、以太网、无线收发器芯片等一同使用。假定：SPI速率：8Mbps数据包大小：128字节数据吞吐率要求：每个数据包160uS如SPI速率为8Mbps，那么传输1个字节需要1uS。因此，传输128个字节需要128uS。我们的预算为每个数据包160uS，这就剩下32uS(160-128)用于SPI管理。这32uS的预算要平均分配给128个字节，因为系统每一个uS都要载入一个新数据字节。32uS除以128即可得到SPI管理每数据字节传输有250nS的时间。

就上例而言，DMA将MCU/SoC速率需求降低了160MHz，而将CPU处理能力需求降低了200MHz。如果我们假定一次周期相当于MIPS，那么本应用的DMA就相当于一个200MIPS处理器。DMA实现的高效MIPS在很大程度上取决于吞吐量需求。我们再举一个本应用的极端例子。假定每个数据包没有时间限制，那么DMA每字节节约的CPU周期数达50个，那么就128个字节而言，周期数节约可达6400个。如果MCU需要在16MHz的情况下支持8MHz SPI，且128个字节的数据包每秒只传输一次，那么不支持DMA的MCU/SoC运行速率就需达到每秒16,006,400条指令，性能水平和支持DMA的MCU每秒160万条指令相当。因此，就这一特殊的使用案例而言，DMA的影响可以忽略不计。
协处理器对MIPS的影响MCU/SoC带协处理器的情况并不少见。协处理器能并行处理某些高计算强度任务，将CPU解放出来并提高处理器的MIPS效率。我们不妨设想一下这样一款应用，其输入音频数据进入后由ADC采样，采样频率为44.1Ksps。假设我们希望抑制50或60HZ的直线频率。为此，我们需要使用数字带阻过滤器。采样速率：44.1Ksps，采样间隔22.7uSFIR过滤器抽头数：128为了简化说明，我们不考虑过滤器的输出级。

就上例而言，协处理器将CPU速率要求降低了44.1 MIPS。请注意，该示例采用了简单的FIR过滤器。如果需要更复杂的过滤器，那么MIPS要求可能会高得多(数百MIPS)。
可编程数字器件对MIPS的影响一些MCU/SoC器件的可编程数字逻辑为CPLD或FPGA逻辑形式，这使开发人员能用硬件实施CPU功能，而CPU功能传统上是用软件实施的。下面我们来看看可编程数字逻辑对MIPS有什么影响。我们假设三相无电刷DC(BLDC)电动机的转速为30,000rpm。电动机的转动要求脉冲时序。出于简化目的，我们还假定用霍尔感应器来探测电动机转子的位置。三个这样的霍尔感应器用来实现上述目的。每转60度，霍尔感应器输出之一就会发生变化。如果电动机有两个转子极组，那么两个电气循环将对应于一次机械转动。这就是说，就一次完整转动而言，霍尔感应器输出会改变12次。霍尔感应器输出导致6个PWM输出变化。各带配套输出的三个PWM用于创建6个PWM输出。下图显示了霍尔感应器输入同PWM输出之间的关系。PWM值为正说明PWM高压侧工作，值为负则说明PWM低压侧工作。

下面我们来分析通常如何实施BLDC转换，以及如果器件具备可编程逻辑(CPLD或FPGA)功能，又将如何简化BLDC转换。

就上例而言，可编程数字技术将CPU速率要求降低了1MIPS。如果电动机转速较低，那么该技术对MIPS的影响也较低，反之亦然。上例采用了优化组装和简单的开环控制。实际应用会更加复杂，且通常使用C代码，以简化维护和再利用。如果使用一般性C代码，则MIPS要求会增加到3 MIPS。几乎所有电动机控制应用都需要类似于PID控制的多控制回路，这提高了计算要求。不过，如果通过硬件来完成相同工作，那么就能确保CPU占用为零。因此，整个电动机控制应用的MIPS需求介于5到10 MIPS之间，而采用硬件方法，需求则为零。基于可编程逻辑的实施方案具有较高的再利用性，且不存在任何集成问题。实施一个电动机控制所需的可编程数字逻辑要求非常低，因此我们能在硬件中实施多个电动机控制和转换逻辑。如果用CPU完成相同的工作，由于我们无法同时处理两个中断，那么MIPS需求就会增长好几倍。此外，为了保证合理的中断响应时间，CPU运行速率必须比最低速率要求快得多。因此，我们能用可编程逻辑轻松地实施完整的BLDC电动机控制系统，比如4个这样的系统。不过，如果用MCU固件来实现相同的任务，则需要约100 MIPS的性能。正如本文所述，MIPS并不能代表MCU/SoC器件解决系统级问题的真正能力。如果器件具备上述所有功能，那么什么样的器件MIPS性能才适用呢？200 MIPS、500 MIPS还是1,000 MIPS？在所有情况下，MIPS不过是一个意义非常有限的数字而已。那么，开发人员如何确定最适合应用需要的器件呢？不幸的是，这个问题并不太容易回答：·确定应用中存在关键计时或CPU性能要求的区域。·确定MCU/SoC厂商是否提供应用说明或类似于您所需应用的示例项目。如果已经提供，则能为您针对既定MCU/SoC来优化应用的程度提供指导。如果没有提供，则应想办法找到使用给定架构实施应用的潜在办法，并了解您可使用哪些硬件特性。·根据上述示例所示粗略估算MIPS性能要求。计算不必特别精确。您应尽力确定潜在的巨大差距。在上述所有示例中，性能差异都已足够大，精确计算已非必要。·如果性能差距较小，比如在10%到20%之间，而工作任务是应用的主要组成部分，则唯一的选择是用厂商的开发工具包创建特定的实施方案，检测实际性能差距。·如果您计划购买大量器件，则有关要求可作为RFQ(询价单)的一部分。这让厂商能根据您的特定应用提供器件性能相关信息。