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[MM32软件]

MM32SPIN2x 电机专用MCU功能特色——硬件除法器与硬件开方

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楼主
jcky001|  楼主 | 2022-8-18 10:01 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
spi, 除法器, 电机, 硬件, MCU, pi
       上一章节中已经教大家如何使用MM32SPIN2x的PWM控制模控制功能，本章节将与大家一起配置硬件除法器和硬件开方器。
        除法和开方是非常消耗时间的运算，而在电机控制算法中，乘除法和平方根运算在电机运算中使用频率较高。为了提高MCU的工作效率，MM32SPIN2x了内嵌硬件32bit硬件除法器和32bit硬件乘法器，能自动执行有符号或32位整数乘除法和开根号运算。硬件运算大大提升了应用程序的效率，减少了代码运算量，相比软件它们对于特定问题计算速度更快，位宽更大。
       下面和大家一起配置如何使用硬件除法器和硬件开方进行运算。
        硬件除法单元包括六个32位寄存器，四个数据寄存器分别为被除数、除数、商和余数，以及一个控制寄存器和一个状态寄存器。在使用时，先打开硬件除法器时钟使能，然后配置控制寄存器(HWDIV_CR)选择是否使能除零溢出中断和有无符号除法，然后往被除数寄存器和除数寄存器中写入数据，每一次写入除数寄存器，会自动触发除法运算，在运算结束后，结果会写入到商和余数寄存器里。如果在运算未结束前读商寄存器、余数寄存器或者状态寄存器，读操作会被暂停，直到运算结束才会返回运算结果。特别的，如果除数为零，会产生溢出中断标志位。寄存器详细定义请参考MM32SPIN2x_p用户手册。

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沙发
jcky001|  楼主 | 2022-8-18 10:01 | 只看该作者
硬件除法器初始化配置如下：
RCC_AHBPeriphclockCmd(RCC_AHBPeriph_HWDIV, ENABLE); //使能除法器时钟
HWDIV->DIVCON |= (DIV_UNSIGN );  //无符号除法，不使能除零中断

为了验证硬件除法器的效率，在主函数中分别使用硬件除法器和软件除法器进行16次除法运算，不使用while是为了避免多余的指令占用时间。
主函数如下：


  • u32 DVD_data[32] = {
  • 0x12345678,0x9876554 ,0x9822346 ,0x98734662,
  • 0x000001 ,0xFFFFFFFF,0x11111111,0x22222222,
  • 0x33333333,0x78645323,0x4399039 ,0x4367464 ,
  • 0x42345678,0x9873554 ,0x9822346 ,0x98734662,
  • 0x100001 ,0x1FFFFFFF,0x11511111,0x22422222,
  • 0x53333333,0x78645323,0x4399039 ,0x4367464 ,
  • 0x140001 ,0x11FFFFFF,0x12111111,0x29422222,
  • 0x53333333,0x78644323,0x4369039 ,0x4767464 ,
  • };
  • u32 DVS_data[32] = {
  • 0x11,0x22,0x33,0x44,
  • 0x55,0x66,0x77,0x88,
  • 0x99,0xaa,0xbb,0xcc,
  • 0xdd,0xee,0xff,0xee,
  • 0xdd,0xcc,0xbb,0xaa,
  • 0x99,0x88,0x77,0x66,
  • 0x55,0x44,0x33,0x22,
  • 0x11,0x22,0x33,0x44,
  • };//除数数组
  • u32 result[32];
  • int main (void)
  • {
  • u32 i ;
  • IO_Init();
  • RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_HWDIV, ENABLE);
  • HWDivider_UnsignInit();
  • while(1)
  • {
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • //硬件除法器运算
  • SET_HWDivider(DVD_data[0],DVS_data[0]);
  • result[0] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[1],DVS_data[1]);
  • result[1] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[2],DVS_data[2]);                                                              result[2] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[3],DVS_data[3]);
  • result[3] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[4],DVS_data[4]);
  • result[4] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[5],DVS_data[5]);
  • result[5] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[6],DVS_data[6]);
  • result[6] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[7],DVS_data[7]);
  • result[7] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[8],DVS_data[8]);
  • result[8] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[9],DVS_data[9]);
  • result[9] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[10],DVS_data[10]);
  • result[10] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[11],DVS_data[11]);
  • result[11] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[12],DVS_data[12]);
  • result[12] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[13],DVS_data[13]);
  • result[13] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[14],DVS_data[14]);
  • result[14] = GET_HWDivider;
  • SET_HWDivider(DVD_data[15],DVS_data[15]);
  • result[15] = GET_HWDivider;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • i = 1000;while(i--);
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • //软件除法器运算
  • result[0] = DVD_data[0]/DVS_data[0];
  • result[1] = DVD_data[1]/DVS_data[1];
  • result[2] = DVD_data[2]/DVS_data[2];
  • result[3] = DVD_data[3]/DVS_data[3];
  • result[4] = DVD_data[4]/DVS_data[4];
  • result[5] = DVD_data[5]/DVS_data[5];
  • result[6] = DVD_data[6]/DVS_data[6];
  • result[7] = DVD_data[7]/DVS_data[7];
  • result[8] = DVD_data[8]/DVS_data[8];
  • result[9] = DVD_data[9]/DVS_data[9];
  • result[10] = DVD_data[10]/DVS_data[10];
  • result[11] = DVD_data[11]/DVS_data[11];
  • result[12] = DVD_data[12]/DVS_data[12];
  • result[13] = DVD_data[13]/DVS_data[13];
  • result[14] = DVD_data[14]/DVS_data[14];
  • result[15] = DVD_data[15]/DVS_data[15];
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • i = 1000;while(i--);
  • }
  • }

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板凳
jcky001|  楼主 | 2022-8-18 10:03 | 只看该作者
硬件除法器进行16次除法运算用时6.52us(96MHz)：


图1 硬件除法器32次除法运算
软件进行32次除法运算用时42.29us(96MHz)：


图2 软件32次除法运算



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地板
jcky001|  楼主 | 2022-8-18 10:03 | 只看该作者
开方运算在电机控制里面也非常常见，例如矢量合成和滤波部分。MM32SPIN2x系列自带硬件开方器支持32位无符号整数的开平方。
       硬件开方器包括1个32位被开方寄存器和1个16位的平方根寄存器，都是无符号整数。每一次写入被开方寄存器，会自动除法开方运算，在运算结束后，结果会写入到平方根寄存器里。如果在结束前读平方根寄存器，读操作会被暂停，直到结束才返回运算结果。
      硬件开方器的配置极其简单，只需打开硬件开方器的时钟后，在运算时写入被开方数即可。软件运算使用C语言自带的math.h中的sqrt()开平方函数。


  • u32 HWROOT_data[32] = {
  • 0x12345678,0x9876554 ,0x9822346 ,0x98734662,
  • 0x000001  ,0xFFFFFFFF,0x11111111,0x22222222,
  • 0x33333333,0x78645323,0x4399039 ,0x4367464 ,
  • 0x42345678,0x9873554 ,0x9822346 ,0x98734662,
  • 0x100001  ,0x1FFFFFFF,0x11511111,0x22422222,
  • 0x53333333,0x78645323,0x4399039 ,0x4367464 ,
  • 0x140001  ,0x11FFFFFF,0x12111111,0x29422222,
  • 0x53333333,0x78644323,0x4369039 ,0x4767464 ,
  • };//被开方数数组
  • u32 result[32]; //商和余数
  • int main (void)
  • {
  • u32 i ;
  • IO_Init();
  • RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_HWROOT,ENABLE);
  • while(1)
  • {
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • //硬件开方运算
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[0] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[1] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[2] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[3] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[4] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[5] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[6] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[7] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[8] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[9] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[10] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[11] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[12] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[13] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[14] = HWROOT->ROOT;
  • HWROOT->SQR = HWROOT_data[0];
  • result[15] = HWROOT->ROOT;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • i = 1000;while(i--);
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • result[0] = sqrt(HWROOT_data[0]);//软件开方运算
  • result[1] = sqrt(HWROOT_data[1]);
  • result[2] = sqrt(HWROOT_data[2]);
  • result[3] = sqrt(HWROOT_data[3]);
  • result[4] = sqrt(HWROOT_data[4]);
  • result[5] = sqrt(HWROOT_data[5]);
  • result[6] = sqrt(HWROOT_data[6]);
  • result[7] = sqrt(HWROOT_data[7]);
  • result[8] = sqrt(HWROOT_data[8]);
  • result[9] = sqrt(HWROOT_data[9]);
  • result[10] = sqrt(HWROOT_data[10]);
  • result[11] = sqrt(HWROOT_data[11]);
  • result[12] = sqrt(HWROOT_data[12]);
  • result[13] = sqrt(HWROOT_data[13]);
  • result[14] = sqrt(HWROOT_data[14]);
  • result[15] = sqrt(HWROOT_data[15]);
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • GPIOB->ODR ^= 1<<5;
  • i = 1000;while(i--);
  • }
  • }

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5楼
jcky001|  楼主 | 2022-8-18 10:05 | 只看该作者
硬件开方器执行16次开方运算用时5.44us(96MHz)：



图三 硬件开方32次开方运算
软件执行16次开方运算用时238.22us(96MHz)：


图四 软件32次开方运算
        由此可见，硬件除法器和硬件开方在提升运算速度，降低MCU负担方面有极其显著的作用。



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6楼
tpgf| | 2022-9-3 18:58 | 只看该作者
纯硬件的除法器吗

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7楼
qcliu| | 2022-9-3 19:15 | 只看该作者
开平方会不会导致程序运行缓慢啊

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8楼
drer| | 2022-9-3 19:20 | 只看该作者
这种运算对单片机的位数有要求吗

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9楼
coshi| | 2022-9-3 19:25 | 只看该作者
可以外挂这种专用芯片吗

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10楼
kxsi| | 2022-9-3 19:35 | 只看该作者
这种芯片还是很有优势的

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11楼
wiba| | 2022-9-3 20:06 | 只看该作者
感觉这种代码的风格不太好

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12楼
abotomson| | 2022-9-5 13:01 | 只看该作者
可以提供计算的速度吗

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13楼
ccook11| | 2022-9-5 15:30 | 只看该作者
计算的速度可以提高多少？

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14楼
kmzuaz| | 2022-9-5 17:31 | 只看该作者
如何确定使用的是硬件除法呢？

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15楼
Bowclad| | 2022-9-9 19:05 | 只看该作者
开平方会不会导致程序运行缓慢啊

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