如何为数字信号处理应用选择微控制器

2万 · 2022-7-25 16:46

本文讨论了当您需要[url=]单片机[/url]同时作为系统控制器和数字[url=]信号处理器[/url]时应该寻找的特性。
数字信号处理可以为多种产品和应用增加有价值的功能。即使是受成本、形状因素或时间表约束的设计也可以很容易地包含 DSP 的好处，因为现在工程师可以获得大量的库代码、示例项目和高性能处理器，这些处理器既便宜又相对用户友好。
一个真正的数字信号处理器——比如来自[url=]德州仪器公司[/url]的 c5000系列或来自 [url=]analog[/url] devices 公司的 SHARC 系列——可能是一个令人望而生畏的设备。我主要是和德州仪器公司的数据服务提供商一起工作，总的来说，这次经历是富有成效和令人满意的。然而，在这种情况下，我不需要设计[url=]电路[/url]板，我也不喜欢尝试调试奇怪的系统崩溃和理解[url=]操作系统[/url]的细节的过程。
毫无疑问，某些计算密集型的 DSP 任务将需要一个真正的数字信号处理器，甚至一个 [url=]FPGA[/url]。这也是真的，虽然，在许多应用中，一个适当选择的微控制器就足够了。本文讨论的特点和能力，你需要集中在当你想要确保你的[url=]单片[/url]机将有足够的 DSP [url=]电源[/url]。
8位，16位，还是32位？
这个问题没有你想象的那么简单。一般来说，16位和32位设备将更适合 DSP 应用。数字信号处理涉及数学过程，通常会导致大量的数字，你需要一个处理器，可以直接操纵这些大量的数字。
然而，8位处理本身并不坏，如果您知道您将要处理的数字值范围有限，8位微控制器可能是一个不错的选择。
此外，工程师通常没有时间或兴趣去研究处理器的底层细节，因此很难在指定的位宽度和实际的计算效率之间建立清晰的联系。例如，“32位微控制器”是否有32位寄存器？32位算术逻辑单元？32位地址总线？32位[url=]通信[/url][url=]接口[/url]？“32位”到底是什么意思？这些细节可能会影响你的决定，特别是如果你希望主要处理那些不需要所有额外信息的小数字。

2万 · 2022-7-25 16:47

这个现代化的8位体系结构是由 Silicon Labs 开发的。他们警告人们不要认为16位或32位设备的性能会始终优于8位设备
[url=]时钟[/url]速度
微控制器的最大时钟[url=]频率[/url]当然是一个很好的指标，它作为一个数字信号处理器的优点。然而，理解每秒钟的[url=]时钟周期[/url]和每秒钟的[url=]指令[/url]之间的[url=]区别[/url]是非常重要的。处理器通过执行指令来完成 DSP 任务，因此其性能受到时钟频率和执行指令所需时钟周期数的影响。
不幸的是，这个问题很快变得相当复杂。一条指令所需的时钟周期数从一条指令到下一条指令不同，并且通过使用流水线结构可以减少时钟每个指令周期数的平均数量。然后，你必须考虑“每条指令的功能”的数量，也就是说，也许微控制器 a 只需要一条指令就可以做一些需要微控制器 b 上多条指令的事情。

这个图表传达了流水线处理器的概念

以下是我的简短建议: 如果你正在比较来自同一家庭的设备，选择更高的时钟频率。如果你比较的设备与主要的架构差异，尝试找到一个可靠的规范，表明指令执行率(表示为 MIPS，每秒数百万条指令)或平均时钟/每个指令周期数。
定点 vs. 浮点
术语“浮点”指的是一种数字表示，其中的基数点可以“浮动”，因为数字由整数部分(尾数)和指数组成。选择(“定点”)对应的方式，我们通常处理和[url=]感知[/url]的数据在一个正常的微控制器。仔细比较浮点运算和定点运算绝不是一件简单的任务，但似乎有一个共识，即浮点运算可以在数学密集型应用中获得优越性。
我认为可以肯定地说，所有的微控制器都是定点设备，因为在我看来，如果它真是一个浮点处理器，它就不再是一个微控制器。然而，如果你真的决心最大化你的数学性能，同时留在微控制器域，你应该考虑一个设备，包括一个浮点协处理器。
基于 arm 的16/32位微控制器 NXP 的 lpc3180fel320采用浮点协处理器，最高可达220mips。[url=]意法半导体[/url]也有 [url=]STM32[/url]微控制器，其中包括一个浮点运算器处理器(FPU)。

我在我的圆形触摸[url=]传感器[/url]项目中使用了一些浮点数学。在大多数情况下，一个单独的 FPU 是不必要的ー[url=]编译器[/url]擅长在典型的微控制器中实现浮点变量