具有硬件矢量浮点运算单元的MCU在医疗电子中的应用

文章摘要：在4种不同的频率下运行Auto-Bench(13 MHz、52 MHz、104 MHz和208 MHz)，并组合其他测试条件，包括打开或关闭浮点协处理器，打开或关闭指令缓存。浮点协处理器默认为不使能的，使得编译器对任何需要浮点运算的情况使用软件浮点。实际收集到的数据远比本文中所能呈现的多，这里只介绍两个有代表性的案例以表现收集的特征数据怎样决定系统的性能。图1以图形方式表示了EEMBC的有限脉冲响应滤波(FIR)的测试数据结果。在13 MHz运行两个不同的基准测试，在0.9 V~1.2 V之间改变CPU核的电压。当测试基准运行在CPU时钟设置为208 MHz时，AHB的时钟设置为其极限104

具有硬件矢量浮点运算单元的MCU在医疗电子中的应用,标签：电路设计,http://www.88dzw.com

在4种不同的频率下运行Auto-Bench(13 MHz、52 MHz、104 MHz和208 MHz)，并组合其他测试条件，包括打开或关闭浮点协处理器，打开或关闭指令缓存。浮点协处理器默认为不使能的，使得编译器对任何需要浮点运算的情况使用软件浮点。

实际收集到的数据远比本文中所能呈现的多，这里只介绍两个有代表性的案例以表现收集的特征数据怎样决定系统的性能。图1以图形方式表示了EEMBC的有限脉冲响应滤波(FIR)的测试数据结果。在13 MHz运行两个不同的基准测试，在0.9 V~1.2 V之间改变CPU核的电压。当测试基准运行在CPU时钟设置为208 MHz时，AHB的时钟设置为其极限104 MHz.在所有其他测试频率中，CPU时钟和AHB时钟是相同的。

图1EEMBC的有限脉冲响应滤波（FIR）测试数据结果

浮点运算就是实数运算，因为计算机只能存储整数，所以实数都是约数，这样浮点运算是很慢的而且会有误差。现在大多数机器都是32位的，也就是说32位都用来表示整数的话，那么对于无符号整数就是0 到 2^32-1,对于有符号的话就是-2^31 到 2^31-1.

首先来看指令缓存的性能，观察图1标示着循环次数/s的图。数据表明，在所有频率下，当指令缓存使能时，微控制器的绝对性能都更好。第二，当CPU时钟频率增加时，即使指令缓存提供了更好的绝对性能，其提高的相对幅度不是线性的。通过观察标示着循环次数/s/MHz的图，读者可以验证这一特性。图2表明，对于几乎所有的CPU时钟频率性能都线性增加大约100次/s/MHz,而除了运行在208 MHz时，根据指令缓存使能与否，性能降至60或80次/s/MHz。

很明显，当指令缓存使能时，系统运行更快。因为当CPU从指令缓存执行指令时，对AHB RAM进行读写的次数减少。

非线性性能特征是由于AHB时钟具有最高104 MHz的上限的结果。当AHB时钟慢于CPU时钟时，CPU必须等待较长的时间以从AHB总线的RAM上读取指令，其结果是每MHz相对性能的增加较小。

下面分析一下指令缓存对能耗的影响。如果只考虑图2中功率(Power)的绝对功耗，也许会得出关闭指令缓存可以节省整个系统能量的结论。然而，Energy-Bench数据表明，当指令缓存被使能时，每一个基准循环消耗的能量实际上是低于指令缓存被关闭时的。

更详细地对能量(Energy)图进行观察表明，当指令缓存使能，在208 MHz,1.2 V时每个循环消耗的能量甚至低于其他运行频率。实际上，有10%~12%的提高。换句话说，在使能指令缓存的情况下执行同样的基准，高速(208 MHz)运行较短的一段时间比低速(52 MHz或104 MHz)运行较长时间具有更好的能量效率。

从循环次数/s的图可以看到使用浮点协处理器的运行效率和能耗。这张图相当生动地表明了集成的浮点协处理器的性能效果。在频率为208 MHz时，使能指令缓存，使用软件浮点运算，微控制器运行在大约8 500次/s;而使用浮点协处理器，这一值越至超过32 500次/s,性能提高超过280 %.

检验浮点协处理器的能耗效果参见图3中的能量图。当指令缓存使能、使用软件浮点运算时，每个基准负载在208 MHz的能量表明微控制器消耗每次循环大约16 J; 而使用浮点协处理器时，这一值小于4 J/循环-节省超过75%的能量，而工作量是相同的。

图1循环次数/s图表明，在频率为13 MHz、供电电压为0.9 V和1.2 V时，性能基准数据是相等的。

然而，功率图表示，在1.2 V时的功耗比0.9 V时的功耗要高大约75%.

系统控制参数

在测试例子中，使用的EEMBC特性工具决定目标测试系统中指令缓存和浮点协处理器的性能。根据这一性能，可以选择通用的配置参数，以提供具有低能耗的系统性能的最好条件。

下面是一些参数选择，在类似那些EEMBC Auto-Bench基准测试组的环境下，可以控制系统的功率利用率和性能：

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