具有硬件矢量浮點運算單元的微控制器在醫(yī)療電子中

選擇FIR基準作為一個測試基線是因為它不包含浮點運算，當與基本整數(shù)浮點基準進行比較時，它可以提供有用的數(shù)據(jù)。提供這兩個基準的數(shù)據(jù)以確定指令緩存和浮點協(xié)處理器性能所需的必要信息。
首先來看指令緩存的性能，觀察圖2和標示著循環(huán)次數(shù)/s的圖。數(shù)據(jù)表明，在所有頻率下，當指令緩存使能時，微控制器的絕對性能都更好。第二，當CPU時鐘頻率增加時，即使指令緩存提供了更好的絕對性能，其提高的相對幅度不是線性的。通過觀察標示著循環(huán)次數(shù)/s/MHz的圖，讀者可以驗證這一特性。圖2表明，對于幾乎所有的CPU時鐘頻率性能都線性增加大約100次/s/MHz，而除了運行在208 MHz時，根據(jù)指令緩存使能與否，性能降至60或80次/s/MHz。
很明顯，當指令緩存使能時，系統(tǒng)運行更快。因為當CPU從指令緩存執(zhí)行指令時，對AHB RAM進行讀寫的次數(shù)減少。
非線性性能特征是由于AHB時鐘具有最高104 MHz的上限的結(jié)果。當AHB時鐘慢于CPU時鐘時，CPU必須等待較長的時間以從AHB總線的RAM上讀取指令，其結(jié)果是每MHz相對性能的增加較小。
下面分析一下指令緩存對能耗的影響。如果只考慮圖2中功率（Power）的絕對功耗，也許會得出關(guān)閉指令緩存可以節(jié)省整個系統(tǒng)能量的結(jié)論。然而，Energy-Bench數(shù)據(jù)表明，當指令緩存被使能時，每一個基準循環(huán)消耗的能量實際上是低于指令緩存被關(guān)閉時的。
更詳細地對能量（Energy）圖進行觀察表明，當指令緩存使能，在208 MHz，1.2 V時每個循環(huán)消耗的能量甚至低于其他運行頻率。實際上，有10%～12%的提高。換句話說，在使能指令緩存的情況下執(zhí)行同樣的基準，高速(208 MHz)運行較短的一段時間比低速(52 MHz或104 MHz)運行較長時間具有更好的能量效率。
從圖3及循環(huán)次數(shù)/s的圖可以看到使用浮點協(xié)處理器的運行效率和能耗。這張圖相當生動地表明了集成的浮點協(xié)處理器的性能效果。在頻率為208 MHz時，使能指令緩存，使用軟件浮點運算，微控制器運行在大約8 500次/s；而使用浮點協(xié)處理器，這一值越至超過32 500次/s，性能提高超過280 %。
檢驗浮點協(xié)處理器的能耗效果參見圖3中的能量圖。當指令緩存使能、使用軟件浮點運算時，每個基準負載在208 MHz的能量表明微控制器消耗每次循環(huán)大約16 J； 而使用浮點協(xié)處理器時，這一值小于4 J/循環(huán)-節(jié)省超過75%的能量，而工作量是相同的。
圖2和循環(huán)次數(shù)/s圖表明，在頻率為13 MHz、供電電壓為0.9 V和1.2 V時，性能基準數(shù)據(jù)是相等的。
然而，功率圖表示，在1.2 V時的功耗比0.9 V時的功耗要高大約75%。

系統(tǒng)控制參數(shù)
在測試例子中，使用的EEMBC特性工具決定目標測試系統(tǒng)中指令緩存和浮點協(xié)處理器的性能。根據(jù)這一性能，可以選擇通用的配置參數(shù)，以提供具有低能耗的系統(tǒng)性能的最好條件。
下面是一些參數(shù)選擇，在類似那些EEMBC Auto-Bench基準測試組的環(huán)境下，可以控制系統(tǒng)的功率利用率和性能：
(1)使能指令緩存能使性能更好；
(2)使用硬件浮點協(xié)處理器比軟件浮點的運算性能明顯提高且能耗明顯降低；
(3)在208 MHz時，指令緩存使能，其能耗比低頻率時要好；
(4)對于13 MHz低功耗運行，內(nèi)核電壓在0.9 V時比1.2 V時要好得多。

除以上這些總體概要外，更重要的事實是，根據(jù)工業(yè)標準的性能和能量基準測試得到的數(shù)據(jù)，確定了系統(tǒng)的性能。而這些基準可以公開得到，并可得到獨立權(quán)威的驗證。
使用EEMBC Auto-Bench基準和Energy-Bench基準，可以得到一致的性能分析，很容易演示給其他人。而且，可以被重復、驗證。
設(shè)計嵌入式系統(tǒng)通常是一項很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，幾乎每一個嵌入式系統(tǒng)都有相對唯一的硬件配置。對于特定的嵌入式操作系統(tǒng)，經(jīng)常需要重寫特定的代碼。對此通常還有非常嚴格的能耗限制。本文給出了量化的科學測試方法以幫助嵌入式工程師考慮如何選擇適合于特定應用的控制器來構(gòu)建系統(tǒng)。即使所測試的嵌入式系統(tǒng)差異很大，確鑿的數(shù)據(jù)仍可以幫助系統(tǒng)評估者比較相同的性能特征。
在本文的測試設(shè)置中，使用了EEMBC的特性工具來決定恩智浦微控制器的性能。然后使用這些性能信息為特定的運行環(huán)境選擇最好的控制參數(shù)。該測試例程量化了評估系統(tǒng)中使用微控制器的指令緩存和浮點協(xié)處理器的系統(tǒng)性能。收集到的特征數(shù)據(jù)方便定義系統(tǒng)行為，并提供一種方法學來選擇運行參數(shù)以控制系統(tǒng)性能和能量消耗。
測試結(jié)果表明，硬件向量浮點運算單元的使用可以使系統(tǒng)性能提高5倍左右，并可減少代碼量，降低功耗。
硬件浮點協(xié)處理器VFP9是NXP基于ARM926EJ-S內(nèi)核的LPC3000系列的特征，NXP低功耗的90 nm工藝技術(shù)可以以非常小的芯片面積和極小的功耗實現(xiàn)這一功能，使得LPC3000 ARM9微控制器非常適合需要進行信號處理的醫(yī)療電子等行業(yè)應用。