浮點(diǎn)DSC使控制系統(tǒng)如虎添翼

DSC（Digital signal controller，數(shù)字信號(hào)控制器）是一種面向高端嵌入式系統(tǒng)的最先進(jìn)的單片控制處理器?；诟↑c(diǎn)架構(gòu)的DSC具有更快的處理速度，所需的程序儲(chǔ)存容量更少，支持更高級(jí)的有助于節(jié)省功耗的計(jì)算算法，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展了系統(tǒng)的性能。浮點(diǎn)編程比定點(diǎn)編程的速度更快，SoC（system-on-a-chip，片上系統(tǒng)）的集成方式能夠有效控制板級(jí)空間、元件數(shù)量和整體系統(tǒng)開(kāi)銷。

隨著嵌入式系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，不論是降低功耗還是實(shí)現(xiàn)諸如汽車導(dǎo)航之類的新功能，它們都需要具有更高性能的控制處理器。降低能耗的迫切需求影響到了我們使用的各種設(shè)備，包括一些用戶不常見(jiàn)的設(shè)備。例如，根據(jù)著名的能源與自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商ABB集團(tuán)的分析，工業(yè)電機(jī)消耗的電能已經(jīng)達(dá)到了整個(gè)行業(yè)所用電力的三分之二。雖然可以采用變速控制技術(shù)進(jìn)一步提高電機(jī)的運(yùn)行效率，但是目前只有二十分之一的電機(jī)真正采用了支持這一功能的數(shù)控電子技術(shù)。盡管如此，變速電機(jī)相比同類的定速電機(jī)每年節(jié)省的電能相當(dāng)于10座電廠的產(chǎn)量，而這10座電廠會(huì)排放約6800萬(wàn)噸二氧化碳?xì)怏w。顯然，高級(jí)電機(jī)控制技術(shù)在降低能耗和保護(hù)環(huán)境方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

引入高級(jí)控制技術(shù)降低能耗

可再生能源，例如太陽(yáng)能電池和風(fēng)力渦輪機(jī)，也是需要采用高級(jí)控制技術(shù)的“綠色”能源。與電機(jī)一樣，這些能量收集裝置也需要采用高級(jí)數(shù)控技術(shù)以提高效率。為了將電池板或渦輪機(jī)產(chǎn)生的原始電能實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成用于電池儲(chǔ)存或設(shè)備運(yùn)行所需的合適電能，我們必須采用一定的控制技術(shù)。由于太陽(yáng)光和風(fēng)力強(qiáng)度會(huì)不斷變化，因此需要采用復(fù)雜的算法確保它們始終能夠輸出最大的能量；由于很多可再生能源系統(tǒng)都會(huì)同時(shí)接入電網(wǎng)，所以采用實(shí)時(shí)控制技術(shù)對(duì)于保護(hù)設(shè)備也是必需的。

圖1 F28335浮點(diǎn)DSC內(nèi)含一個(gè)用于處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)?通道DMA控制器

例如，TI公司推出的F283x浮點(diǎn)DSC（如圖1所示）具有性能高、軟件開(kāi)發(fā)方便等特性，適用于電機(jī)與運(yùn)轉(zhuǎn)控制、車載雷達(dá)系統(tǒng)和以太陽(yáng)能電池陣列和風(fēng)力渦輪為來(lái)源的可再生能源生成系統(tǒng)。這款32位的DSC系列處理器最高工作頻率可達(dá)150MHz，峰值運(yùn)算速度可達(dá)每秒3億次浮點(diǎn)操作（MFLOPS）。

相比定點(diǎn)DSC TMS320F28x而言，采用浮點(diǎn)架構(gòu)之后DSC性能提升了50%。這一系列DSC內(nèi)含一個(gè)6通道DMA控制器，能夠大大減輕處理器核的數(shù)據(jù)傳輸管理工作，其軟件更新功能有助于用戶更方便地開(kāi)發(fā)同一來(lái)源的浮點(diǎn)和定點(diǎn)代碼。

浮點(diǎn)運(yùn)算

F283x系列DSC的主要性能優(yōu)勢(shì)歸因于它的數(shù)值計(jì)算格式，這種格式大大簡(jiǎn)化了編程，減少了代碼執(zhí)行時(shí)間，縮短了代碼長(zhǎng)度。在其他一些DSC和DSP芯片中普遍的采用定點(diǎn)格式只能夠表示整數(shù)（沒(méi)有小數(shù)點(diǎn)的正數(shù)和負(fù)數(shù)），因此涉及小數(shù)計(jì)算時(shí)必須采用其他表示方法。相反，浮點(diǎn)格式能夠表示更大范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)（帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)）。內(nèi)部表示小數(shù)以及較寬的數(shù)值范圍意味著處理器能夠更高效地執(zhí)行定標(biāo)運(yùn)算（例如控制算法中常見(jiàn)的乘法、除法和三角函數(shù)運(yùn)算）。

圖2 F283x的32位字長(zhǎng)的前8位用于表示指數(shù)。F283x數(shù)字信號(hào)控制器的32位浮點(diǎn)字

對(duì)于32位的定點(diǎn)架構(gòu)，其表示整數(shù)的范圍為-231～231，帶一個(gè)符號(hào)位。盡管這個(gè)范圍很大，但是當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行大量定標(biāo)運(yùn)算時(shí)，這一數(shù)值范圍會(huì)很快用光，造成數(shù)值超過(guò)32位，從而發(fā)生寄存器溢出。程序通過(guò)對(duì)這種數(shù)值進(jìn)行舍入或截取，能夠處理這種稱為飽和的問(wèn)題，但是犧牲了計(jì)算的精度。另外，程序可以將較長(zhǎng)的數(shù)劃分成多個(gè)較短的能夠逐段計(jì)算的數(shù)，每次處理32位。后面這種實(shí)現(xiàn)方法能夠保持全精度，但是由于處理器忙于移動(dòng)和存儲(chǔ)數(shù)值段，計(jì)算性能降低了。同時(shí)，程序規(guī)模也會(huì)由于所需的額外指令而增大了。

在這種情況下，浮點(diǎn)架構(gòu)就顯示出了其性能價(jià)值。如圖2所示，在F283x中，32位字長(zhǎng)的前8位用于表示指數(shù)，其余23位用于表示尾數(shù)，1位用作符號(hào)位。盡管指數(shù)沒(méi)有符號(hào)位，但是在操作上對(duì)保存的指數(shù)進(jìn)行規(guī)格化偏移處理，使得指數(shù)最終能夠覆蓋負(fù)數(shù)和正數(shù)的范圍。

這樣，存儲(chǔ)在32位浮點(diǎn)字中的數(shù)的規(guī)格化范圍為±1.738～±3.438，大大超過(guò)32位定點(diǎn)數(shù)的范圍。由于負(fù)指數(shù)表示分?jǐn)?shù)，所以這一范圍涵蓋了極小的數(shù)到極大的數(shù)。這樣大的范圍很難再出現(xiàn)飽和的問(wèn)題，因此，程序就避免了要么通過(guò)舍入或截取犧牲精度，要么通過(guò)使用附加周期和指令對(duì)大數(shù)值進(jìn)行分段處理而犧牲性能和存儲(chǔ)的兩難問(wèn)題。

處理器性能增強(qiáng)

表1中列出的運(yùn)算說(shuō)明了浮點(diǎn)架構(gòu)為DSC性能帶來(lái)的好處。第一列是控制系統(tǒng)常用的四種算術(shù)運(yùn)算、三角函數(shù)運(yùn)算和兩種算法（快速傅里葉變換和無(wú)限沖擊響應(yīng)）。

表1 定點(diǎn)及浮點(diǎn)架構(gòu)性能基準(zhǔn)測(cè)試比較

第二列是在定點(diǎn)DSC上執(zhí)行相應(yīng)運(yùn)算所需的周期數(shù)，第三列是在浮點(diǎn)DSC上執(zhí)行所需的周期數(shù)。最后一列是第二列與第三列結(jié)果的比值，表示二者的相對(duì)性能。浮點(diǎn)處理器執(zhí)行所列數(shù)學(xué)運(yùn)算的速度比定點(diǎn)處理器快2～3倍，執(zhí)行FFT算法的加速性能也在該范圍內(nèi)，IIR的加速性能稍低，但仍比定點(diǎn)處理器快。

一般來(lái)說(shuō)，控制算法比信號(hào)處理算法能夠獲得更高的性能提升，因?yàn)榭刂拼a執(zhí)行的基本數(shù)學(xué)運(yùn)算較多，需要進(jìn)行定點(diǎn)換算和飽和處理。即便如此，浮點(diǎn)架構(gòu)得到的周期數(shù)也低得多，對(duì)所有信號(hào)處理測(cè)試程序平均獲得了50%的性能提升。

在各種應(yīng)用中，這些基準(zhǔn)測(cè)試程序變換成很多具體的應(yīng)用程序。精細(xì)、多維控制技術(shù)可應(yīng)用于機(jī)器人的和CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）類的設(shè)備。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率將會(huì)得到進(jìn)一步提高，能夠?qū)崿F(xiàn)PLC（電力線控制）和其他一些高級(jí)算法。太陽(yáng)能與風(fēng)能逆變器和不間斷電源能夠獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)一步降低每千瓦電能的生產(chǎn)成本，并且能夠控制不同配置的太陽(yáng)能板陣或風(fēng)力渦輪機(jī)。

軟件開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)

浮點(diǎn)格式也有利于簡(jiǎn)化代碼的編寫和調(diào)試。浮點(diǎn)數(shù)字表示法對(duì)于數(shù)學(xué)運(yùn)算相比定點(diǎn)表示法更加自然，因此對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持更加直接。當(dāng)代碼經(jīng)過(guò)編寫和驗(yàn)證調(diào)試之后，可以直接導(dǎo)入浮點(diǎn)DSC進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和最終的生產(chǎn)。

相比之下，在針對(duì)定點(diǎn)控制器開(kāi)發(fā)代碼的時(shí)候，必須在PC上編寫和調(diào)試程序進(jìn)行驗(yàn)證，然后還要根據(jù)更嚴(yán)格的硬件定點(diǎn)表示方法重新編寫代碼。這大大增加了代碼的開(kāi)發(fā)周期，而且一旦對(duì)代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后無(wú)法進(jìn)行回退。

一般地，開(kāi)發(fā)人員不得不同時(shí)編寫定點(diǎn)的代碼和浮點(diǎn)的代碼，這就存在可能相互混淆的危險(xiǎn)。F283x控制器只需要開(kāi)發(fā)浮點(diǎn)代碼，從而大大簡(jiǎn)化了代碼開(kāi)發(fā)過(guò)程，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了軟件可靠性。

在存在成本約束的情況下，可以先以浮點(diǎn)控制器為開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行原型和早期版本的設(shè)計(jì)，然后改用定點(diǎn)控制器進(jìn)行量產(chǎn)制造，采用這一開(kāi)發(fā)策略具有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用C編譯器和IQ Math工具能夠很方便地編譯浮點(diǎn)和定點(diǎn)兩種方式下同樣的源碼，從而支持這一策略。F283x DSC是一種經(jīng)濟(jì)的控制器解決方案，它是業(yè)界第一款采用SoC集成的浮點(diǎn)控制器。隨著浮點(diǎn)架構(gòu)與定點(diǎn)架構(gòu)的成本交叉點(diǎn)上升到越來(lái)越高的水平，很多高級(jí)系統(tǒng)為了節(jié)省成本不必進(jìn)行改動(dòng)。性能更高、開(kāi)發(fā)更容易的浮點(diǎn)架構(gòu)成本已經(jīng)能夠?yàn)樵絹?lái)越多的應(yīng)用所接受，促使人們?cè)谇度胧较到y(tǒng)控制領(lǐng)域不斷進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)。