隨著嵌入式應(yīng)用越來(lái)越多地處理語(yǔ)音、視頻和其他高速數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的需求已成為廉價(jià)、低功耗 MCU 的主要挑戰(zhàn)——更不用說(shuō)嵌入式開(kāi)發(fā)人員了。MCU 制造商在一些 MCU 中添加了 DSP 功能以擴(kuò)展其功能，創(chuàng)建了一類(lèi)稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)控制器 （DSC） 的 MCU。本文指出了 DSP 算法存在的困難，并研究了一些符合挑戰(zhàn)。

　　對(duì)速度的需求

　　幾乎所有 MCU 都可以處理基本控制應(yīng)用，但實(shí)時(shí)處理高速音頻和視頻信號(hào)的計(jì)算量要大得多。DSP 涉及在將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后用于處理這些信號(hào)的算法和技術(shù)。需要不同的算法來(lái)增強(qiáng)圖像、識(shí)別或生成語(yǔ)音，或壓縮數(shù)據(jù)以進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)。完全用軟件實(shí)現(xiàn)它們會(huì)慢得讓人無(wú)法接受，因此需要某種硬件加速。

　　即使通用 MCU 可以處理高速信號(hào)，其功率預(yù)算也會(huì)受到嚴(yán)重影響。添加專(zhuān)用 DSP 芯片或使用高速 RISC 處理器、FPGA 或 ASIC 可以解決這兩個(gè)問(wèn)題，但在成本、電路板空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的成本要高得多。嵌入式開(kāi)發(fā)人員的第一道防線(xiàn)是正確選擇算法——為手頭的任務(wù)找到計(jì)算密集度最低的算法；然后找到一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以處理這些算法的 MCU。

　　數(shù)字濾波器

　　幾乎所有信號(hào)都需要某種濾波，無(wú)論是降低噪聲、去除不需要的信號(hào)分量還是縮小輸入波形。兩種基本類(lèi)型的數(shù)字濾波器是無(wú)限脈沖響應(yīng) （IIR） 和有限脈沖響應(yīng) （FIR）。IIR 濾波器是一種反饋系統(tǒng)，它根據(jù)當(dāng)前和先前的輸入以及先前的輸出生成輸出。實(shí)現(xiàn) IIR 濾波器的計(jì)算強(qiáng)度低于 FIR 濾波器。然而，IIR 濾波器在穩(wěn)定性、線(xiàn)性度和對(duì)量化噪聲的敏感性方面存在問(wèn)題。它們通常需要 32 位硬件才能有效地實(shí)現(xiàn)它們。

　　FIR 濾波器僅根據(jù)當(dāng)前和以前的輸入生成輸出；它們沒(méi)有反饋回路并且本質(zhì)上是穩(wěn)定的；它們也不存在 IIR 濾波器所具有的相位線(xiàn)性和量化噪聲問(wèn)題。FIR 濾波器比 IIR 濾波器更易于設(shè)計(jì)，但計(jì)算量更大，因此設(shè)計(jì)人員需要注意速度和功率之間的權(quán)衡。FIR 濾波器可以在 16 位定點(diǎn)硬件中實(shí)現(xiàn)，如果 CPU 和乘法累加 （MAC） 單元足夠快，甚至可以在 8 位 MCU 中實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

　　信號(hào)處理通常需要在時(shí)域和頻域之間來(lái)回快速轉(zhuǎn)換信號(hào)。支持 DSP 的 MCU 通常可以處理這些轉(zhuǎn)換，而無(wú)需借助外部 DSP 或 FPGA。雖然離散傅里葉變換 （DFT） 廣泛用于頻譜分析、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)卷積，但它對(duì) MCU 的計(jì)算量太大；因此，快速傅里葉變換 （FFT） 很受歡迎，它可以以更少的工作量提供相同的結(jié)果（圖 1）。FFT 算法是一組非常適合 MAC 的加法和乘法。

　　圖 1：不同 N 的 DFT 和 FFT 復(fù)數(shù)計(jì)算（由 Silicon Labs 提供）。

　　FFT 仍然是一種計(jì)算密集型算法，尤其是當(dāng)樣本數(shù)量 n 變大時(shí)。通過(guò)首先優(yōu)化算法通?？梢詫?shí)現(xiàn)很大的速度節(jié)?。焕?，刪除不必要的計(jì)算和零和。然后尋找具有單周期 MAC、桶形移位器和其他硬件 DSP 優(yōu)化的 MCU，以實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理。

　　幾個(gè)示例

　　Silicon Labs強(qiáng)調(diào)其 8 位C8051F12x和C8051F360 MCU 能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算 FIR 濾波器算法，同時(shí)仍為其他任務(wù)留出充足的 CPU 資源。C8051F124 _包括一個(gè) 50 MHz/50 MIPS 8051 CPU 內(nèi)核；8 位和 12 位 ADC；一個(gè) 12 位 DAC；8/16 位脈寬調(diào)制；256 字節(jié)的 RAM；和 128 KB 的閃存。每次通過(guò) FIR 濾波器都需要乘法和累加，芯片的 MAC 引擎為此進(jìn)行了優(yōu)化。Silicon Labs 為其支持 DSP 的 MCU 提供了一個(gè) FIR 示例，該示例利用了循環(huán)緩沖區(qū)和鏡像優(yōu)化，后者將向 MAC 的數(shù)據(jù)移動(dòng)操作減少了大約 25%。對(duì)于希望進(jìn)一步了解這一點(diǎn)的讀者，Digi-Key 提供了 Silicon Labs C8051F360-TB 目標(biāo)板，它帶有示例 C 源代碼。

　　移動(dòng)到 16 位，Microchip Technology DSPIC30F、DSPIC33E和DSPIC33FDSC 可以輕松處理高階 FIR 濾波器。事實(shí)上，正是 Microchip 在 2002 年推出 6000 系列 DSC 時(shí)創(chuàng)造了“數(shù)字信號(hào)控制器”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。此后，該公司創(chuàng)建了支持 DSP 的 MCU 產(chǎn)品線(xiàn) （dsPIC）。所有 dsPIC MCU 都集成了 DSP 功能，包括單周期 16 x 16 MAC；40位累加器；雙操作數(shù)獲??；飽和和舍入模式；收費(fèi)圖書(shū)館；和低成本的濾波器設(shè)計(jì)工具。

　　70 MIPS dsPIC33EP256將單周期 MAC 與雙數(shù)據(jù)提取相結(jié)合；兩個(gè) 40 位寬的累加器；單周期、混合符號(hào) MUL 加硬件除法；32位乘法支持；15個(gè)DMA通道；以及多達(dá) 7 個(gè)具有獨(dú)立時(shí)序和 8.2 ns 分辨率的 PWM 對(duì)。dsPIC33E 可以處理一些相當(dāng)復(fù)雜的濾波器應(yīng)用（圖 2）。Digi-Key 帶有 Microchip 的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊“ dsPIC33F 架構(gòu)簡(jiǎn)介”，其中提供了更詳細(xì)的信息。DSPIC30F 演示板對(duì)于那些希望自己進(jìn)行檢查的人來(lái)說(shuō)，它是一種開(kāi)發(fā)和評(píng)估工具，支持許多用于傳感器、電機(jī)控制和通用應(yīng)用的 dsPIC30F 器件。

　　圖 2：dsPIC DSP 性能示例（由 Microchip 提供）。

　　飛思卡爾的60 MHz 16 位MC56F8367集成了眾多 DSP 功能，包括單周期 16 x 16 位并行 MAC；四個(gè) 32 位累加器；512 KB 程序閃存；數(shù)據(jù)閃存和數(shù)據(jù) RAM 各 32 KB；兩個(gè) 12 路輸出的 PWM 模塊；和具有 16 個(gè)自校準(zhǔn)輸入的 12 位 ADC。MC56F8367 旨在為汽車(chē)、工業(yè)控制、醫(yī)療、電源管理和家用電器應(yīng)用提供“32 位性能和 16 位代碼密度”。 德州儀器

　　_ TMS320F2802是一款 60 MHz 32 位 DSC，具有 32 K x 16 閃存和 6 K x 16 SRAM。針對(duì)高速電機(jī)控制和 PFC 應(yīng)用，TMS320F2802 包含一個(gè)雙 MAC，可以執(zhí)行 16 x 16 位和 32 x 32 位 MAC 操作；一個(gè)高分辨率 PWM 模塊，可產(chǎn)生多達(dá) 16 個(gè) PWM 輸出；以及具有 2 x 8 通道輸入多路復(fù)用器的 12 位 ADC，轉(zhuǎn)換速率為 160 ns （6.25 Msample/s）。TI 的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊“電機(jī)信號(hào)鏈概述”解釋了如何在典型應(yīng)用中使用該組件和其他電機(jī)信號(hào)鏈組件。

　　雖然瑞薩并未將其 DSP 優(yōu)化的RX621 稱(chēng)為MCU 一個(gè) DSC，它仍然滿(mǎn)足所有條件：一個(gè) 32 位桶形移位器；基于 32 位寄存器的 MAC（最多 80 位結(jié)果）；一個(gè) 8 通道、12 位 ADC；512 KB 程序閃存；和 96 KB 的 RAM。32 位 100 MHz RX621 包括一個(gè)單精度 FPU，支持加/減/比較/乘/除和其他 DSP 密集型指令。提供多種通信接口（CAN、以太網(wǎng)、I2C、SPI、USB）以適應(yīng)廣泛的應(yīng)用。瑞薩“ RX Core ”產(chǎn)品培訓(xùn)模塊更詳細(xì)地解釋了該芯片，而瑞薩 RX62N 演示套件讓您可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)際評(píng)估。

　　概括

　　為 DSP 指令添加大型單周期 MAC、桶形移位器和其他硬件支持使 DSC 能夠承擔(dān)相對(duì)高速的信號(hào)處理任務(wù)。通過(guò)使用 DSC，嵌入式開(kāi)發(fā)人員通?？梢员苊赓?gòu)買(mǎi)更昂貴的處理器或添加單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理芯片的成本。