具有硬件矢量浮點(diǎn)運(yùn)算單元的微控制器在醫(yī)療電子中的應(yīng)用

如今，越來越多的嵌入式控制應(yīng)用需要信號(hào)處理，如：濾波、插值、降噪、頻譜分析、解調(diào)等。醫(yī)療電子設(shè)備正是需要進(jìn)行信號(hào)處理的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。例如用于超聲診斷的圖像處理，在進(jìn)行圖像重建、邊緣處理、增強(qiáng)以及圖像識(shí)別和辨識(shí)形狀時(shí)均需要進(jìn)行大量的數(shù)字信號(hào)處理。用于胎心、血壓和心跳等監(jiān)護(hù)的控制平臺(tái)，其運(yùn)算模塊也會(huì)對(duì)采樣得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的算法處理，再將處理和分析結(jié)果通過LCD等反饋給使用者。
8 bit/16 bit微控制器通常需要消耗很多計(jì)算資源來做這些工作。今天，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算的強(qiáng)大微控制器開始出現(xiàn)，32 bit微控制器有足夠的能力來實(shí)現(xiàn)其中的許多功能。

評(píng)估微控制器的性能
相比于專業(yè)的DSP處理器，微控制器用于信號(hào)處理具有如下優(yōu)勢：
(1)有效的循環(huán)控制；(2)豐富的外設(shè)；(3)單一的處理器結(jié)構(gòu)、指令集和開發(fā)工具鏈；(4)統(tǒng)一的中斷和任務(wù)切換環(huán)境，同類存儲(chǔ)器；(5)同樣的操作系統(tǒng)同時(shí)管理控制和信號(hào)處理任務(wù)，基于MMU；(6)由于大大地簡化了開發(fā)過程，所以上市時(shí)間較短；(7)流行的微控制器容易獲得，開發(fā)工具成本低。
如何評(píng)估微控制器的性能是否滿足應(yīng)用需求，是工程師在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的早期階段需要考慮的問題。評(píng)價(jià)和匯總來自數(shù)據(jù)手冊的信息是一種有效方法，另一種方法是使用某一類型的評(píng)估板來進(jìn)行特定性能測試和功耗測試的方法。這兩類方法都有各自的缺點(diǎn)。
依賴于數(shù)據(jù)手冊的比較是有風(fēng)險(xiǎn)的，而測試多種硬件通常不切實(shí)際、耗時(shí)且昂貴。本文檢驗(yàn)了一種使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的中間解決方案，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，當(dāng)關(guān)鍵器件選定以后，使用這種方法來評(píng)估性能和能耗。
目標(biāo)是調(diào)查恩智浦微控制器在幾種不同測試標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)性能，并把收集到的數(shù)據(jù)和能耗關(guān)聯(lián)起來。這就需要同時(shí)測量性能和功耗，進(jìn)而能夠測量在特定負(fù)載下的整體能耗。
在評(píng)估過程中，使用了三個(gè)步驟：(1)通過運(yùn)行各種系統(tǒng)測試基準(zhǔn)，并改變不同的系統(tǒng)參數(shù)，抽象出系統(tǒng)特征；(2)解釋收集的特征數(shù)據(jù)來確立系統(tǒng)的行為；(3)通過系統(tǒng)的行為決定怎樣設(shè)定控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)表現(xiàn)達(dá)到預(yù)想的效果。

特征化
從理論上來說，性能測試是對(duì)運(yùn)作系統(tǒng)式樣的質(zhì)化或量化評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的式樣可能不夠詳細(xì)，不足以定義完整的質(zhì)量測試，創(chuàng)建測試也許太昂貴，不能保證其開發(fā)。一個(gè)比較好的得到系統(tǒng)特征的折衷方法是，使用測試基準(zhǔn)作為一個(gè)或一系列以軟件執(zhí)行的測試，提供量化的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來比較不同系統(tǒng)的特性。
為得到微控制器的特性，從EEMBC的Auto-Bench組選擇一套性能測試基準(zhǔn)。這些基準(zhǔn)幫助預(yù)測微控制器在汽車電子，工業(yè)和一般應(yīng)用中的性能。運(yùn)行每一個(gè)基準(zhǔn)測試都通過多次反復(fù)循環(huán)以消除一些啟動(dòng)代碼在每次測試開始時(shí)只運(yùn)行一次的影響。使用這一工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)組件的一個(gè)優(yōu)勢就是可以將結(jié)果數(shù)據(jù)與其他類似架構(gòu)微控制器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評(píng)判總體系統(tǒng)性能。
這里所測試的微控制器是基于ARM926EJ-S內(nèi)核，帶硬件矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器和一個(gè)32 KB的指令緩存(I-cache)。該測試衡量浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能。在微控制器不同的工作頻率時(shí)運(yùn)行Auto-Bench測試基準(zhǔn)，使用Energy-Bench測量每一基準(zhǔn)執(zhí)行中消耗的能量。Energy-Bench是另一個(gè)EEMBC工具，可以測量基準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行時(shí)處理器消耗的能量。從Energy-Bench收集的數(shù)據(jù)可以觀察到微控制器在各種不同負(fù)載下的能量效率。選擇了這些工具來評(píng)估微控制器，下一步就是確定微控制器在不同運(yùn)行條件下的性能。

性能分析
為了分析微控制器的性能，需要決定在不同條件下的整體系統(tǒng)響應(yīng)。在測試項(xiàng)目中，需要評(píng)估恩智浦微控制器上浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能。
運(yùn)行Auto-bench基準(zhǔn)測試組，改變4個(gè)參數(shù)：運(yùn)行頻率、CPU核的電壓、指令緩存的狀態(tài)和浮點(diǎn)協(xié)處理器的狀態(tài)。
圖1為建立Auto-Bench/Energy-Bench測試環(huán)境的示意圖。由三部分組成：數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（DAC）、軟件開發(fā)環(huán)境和測試目標(biāo)。美國國家儀器公司的DAC連接到PC機(jī)上，PC機(jī)運(yùn)行Energy-Bench這一功耗和能耗測試軟件。軟件測試環(huán)境使用Keil^TM集成開發(fā)工具來編譯，下載和運(yùn)行Auto-Bench測試基準(zhǔn)。把供給微處理器的三個(gè)電源電壓隔離開，Energy-Bench可以測量Auto-Bench基準(zhǔn)測試中消耗的能量，并計(jì)算在每一測試中消耗的總能量。

在4種不同的頻率下運(yùn)行Auto-Bench(13 MHz、52 MHz、104 MHz和208 MHz)，并組合其他測試條件，包括打開或關(guān)閉浮點(diǎn)協(xié)處理器，打開或關(guān)閉指令緩存。浮點(diǎn)協(xié)處理器默認(rèn)為不使能的，使得編譯器對(duì)任何需要浮點(diǎn)運(yùn)算的情況使用軟件浮點(diǎn)。
實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比本文中所能呈現(xiàn)的多，這里只介紹兩個(gè)有代表性的案例以表現(xiàn)收集的特征數(shù)據(jù)怎樣決定系統(tǒng)的性能。圖2中以圖形方式表示了EEMBC的有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）的測試數(shù)據(jù)結(jié)果。圖3則以圖形方式表示收集到的EEMBC的基本整數(shù)浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。在13 MHz運(yùn)行兩個(gè)不同的基準(zhǔn)測試，在0.9 V～1.2 V之間改變CPU核的電壓。當(dāng)測試基準(zhǔn)運(yùn)行在CPU時(shí)鐘設(shè)置為208 MHz時(shí)，AHB的時(shí)鐘設(shè)置為其極限104 MHz。在所有其他測試頻率中，CPU時(shí)鐘和AHB時(shí)鐘是相同的。

圖2 EEMBC的有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）測試數(shù)據(jù)結(jié)果

圖3 收集到的EEMBC的基本整數(shù)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果

選擇FIR基準(zhǔn)作為一個(gè)測試基線是因?yàn)樗话↑c(diǎn)運(yùn)算，當(dāng)與基本整數(shù)浮點(diǎn)基準(zhǔn)進(jìn)行比較時(shí)，它可以提供有用的數(shù)據(jù)。提供這兩個(gè)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以確定指令緩存和浮點(diǎn)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(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s的圖。數(shù)據(jù)表明，在所有頻率下，當(dāng)指令緩存使能時(shí)，微控制器的絕對(duì)性能都更好。第二，當(dāng)CPU時(shí)鐘頻率增加時(shí)，即使指令緩存提供了更好的絕對(duì)性能，其提高的相對(duì)幅度不是線性的。通過觀察標(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s/MHz的圖，讀者可以驗(yàn)證這一特性。圖2表明，對(duì)于幾乎所有的CPU時(shí)鐘頻率性能都線性增加大約100次/s/MHz，而除了運(yùn)行在208 MHz時(shí)，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(dāng)指令緩存使能時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行更快。因?yàn)楫?dāng)CPU從指令緩存執(zhí)行指令時(shí)，對(duì)AHB RAM進(jìn)行讀寫的次數(shù)減少。
非線性性能特征是由于AHB時(shí)鐘具有最高104 MHz的上限的結(jié)果。當(dāng)AHB時(shí)鐘慢于CPU時(shí)鐘時(shí)，CPU必須等待較長的時(shí)間以從AHB總線的RAM上讀取指令，其結(jié)果是每MHz相對(duì)性能的增加較小。
下面分析一下指令緩存對(duì)能耗的影響。如果只考慮圖2中功率（Power）的絕對(duì)功耗，也許會(huì)得出關(guān)閉指令緩存可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)能量的結(jié)論。然而，Energy-Bench數(shù)據(jù)表明，當(dāng)指令緩存被使能時(shí)，每一個(gè)基準(zhǔn)循環(huán)消耗的能量實(shí)際上是低于指令緩存被關(guān)閉時(shí)的。
更詳細(xì)地對(duì)能量（Energy）圖進(jìn)行觀察表明，當(dāng)指令緩存使能，在208 MHz，1.2 V時(shí)每個(gè)循環(huán)消耗的能量甚至低于其他運(yùn)行頻率。實(shí)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(zhǔn)，高速(208 MHz)運(yùn)行較短的一段時(shí)間比低速(52 MHz或104 MHz)運(yùn)行較長時(shí)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(diǎn)協(xié)處理器的運(yùn)行效率和能耗。這張圖相當(dāng)生動(dòng)地表明了集成的浮點(diǎn)協(xié)處理器的性能效果。在頻率為208 MHz時(shí)，使能指令緩存，使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算，微控制器運(yùn)行在大約8 500次/s；而使用浮點(diǎn)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(yàn)浮點(diǎn)協(xié)處理器的能耗效果參見圖3中的能量圖。當(dāng)指令緩存使能、使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，每個(gè)基準(zhǔn)負(fù)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(diǎn)協(xié)處理器時(shí)，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(shí)，性能基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是相等的。
然而，功率圖表示，在1.2 V時(shí)的功耗比0.9 V時(shí)的功耗要高大約75%。

系統(tǒng)控制參數(shù)
在測試?yán)又?，使用的EEMBC特性工具決定目標(biāo)測試系統(tǒng)中指令緩存和浮點(diǎn)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(zhǔn)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(diǎn)協(xié)處理器比軟件浮點(diǎn)的運(yùn)算性能明顯提高且能耗明顯降低；
(3)在208 MHz時(shí)，指令緩存使能，其能耗比低頻率時(shí)要好；
(4)對(duì)于13 MHz低功耗運(yùn)行，內(nèi)核電壓在0.9 V時(shí)比1.2 V時(shí)要好得多。

除以上這些總體概要外，更重要的事實(shí)是，根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能和能量基準(zhǔn)測試得到的數(shù)據(jù)，確定了系統(tǒng)的性能。而這些基準(zhǔn)可以公開得到，并可得到獨(dú)立權(quán)威的驗(yàn)證。
使用EEMBC Auto-Bench基準(zhǔn)和Energy-Bench基準(zhǔn)，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(fù)、驗(yàn)證。
設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)通常是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，幾乎每一個(gè)嵌入式系統(tǒng)都有相對(duì)唯一的硬件配置。對(duì)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(duì)此通常還有非常嚴(yán)格的能耗限制。本文給出了量化的科學(xué)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(yīng)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(píng)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(yùn)行環(huán)境選擇最好的控制參數(shù)。該測試?yán)塘炕嗽u(píng)估系統(tǒng)中使用微控制器的指令緩存和浮點(diǎn)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(xué)來選擇運(yùn)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(diǎn)運(yùn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)這一功能，使得LPC3000 ARM9微控制器非常適合需要進(jìn)行信號(hào)處理的醫(yī)療電子等行業(yè)應(yīng)用。