具有硬件矢量浮点运算单元的微控制器在医疗电子中的应用

　　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。

　　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2和标示着循环次数/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。

　　从图3及循环次数/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2和循环次数/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：

　　（1）使能指令缓存能使性能更好；

　　（2）使用硬件浮点协处理器比软件浮点的运算性能明显提高且能耗明显降低；

　　（3）在208 MHz时，指令缓存使能，其能耗比低频率时要好；

　　（4）对于13 MHz低功耗运行，内核电压在0.9 V时比1.2 V时要好得多。

　　除以上这些总体概要外，更重要的事实是，根据工业标准的性能和能量基准测试得到的数据，确定了系统的性能。而这些基准可以公开得到，并可得到独立权威的验证。

　　使用EEMBC Auto-Bench基准和Energy-Bench基准，可以得到一致的性能分析，很容易演示给其他人。而且，可以被重复、验证。

　　设计嵌入式系统通常是一项很有挑战性的任务，几乎每一个嵌入式系统都有相对唯一的硬件配置。对于特定的嵌入式操作系统，经常需要重写特定的代码。对此通常还有非常严格的能耗限制。本文给出了量化的科学测试方法以帮助嵌入式工程师考虑如何选择适合于特定应用的控制器来构建系统。即使所测试的嵌入式系统差异很大，确凿的数据仍可以帮助系统评估者比较相同的性能特征。

　　在本文的测试设置中，使用了EEMBC的特性工具来决定恩智浦微控制器的性能。然后使用这些性能信息为特定的运行环境选择最好的控制参数。该测试例程量化了评估系统中使用微控制器的指令缓存和浮点协处理器的系统性能。收集到的特征数据方便定义系统行为，并提供一种方法学来选择运行参数以控制系统性能和能量消耗。

　　测试结果表明，硬件向量浮点运算单元的使用可以使系统性能提高5倍左右，并可减少代码量，降低功耗。

　　硬件浮点协处理器VFP9是NXP基于ARM926EJ-S内核的LPC3000系列的特征，NXP低功耗的90 nm工艺技术可以以非常小的芯片面积和极小的功耗实现这一功能，使得LPC3000 ARM9微控制器非常适合需要进行信号处理的医疗电子等行业应用。