為什么說MIPS只是一個數(shù)字而已

人們通常用每秒百萬條指令(MIPS)來衡量微控制器(MCU)的計算性能，但是沒有任何兩個MCU/SoC架構(gòu)是完全相同的，加速不同應(yīng)用性能的集成度也不相同。因此，在采用適當(dāng)硬件特性的情況下，固件應(yīng)用可減少對CPU資源的占用。在移植到不同架構(gòu)的過程中，如果開發(fā)人員只關(guān)注MIPS，僅以MIPS來預(yù)測應(yīng)用所需的計算性能，那么就會大錯特錯了。本文將就典型的計算問題分析MCU/SoC的多種架構(gòu)特性，目的是說明MIPS并不能真正反映器件的計算性能，并探討我們應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)對這一問題。此外，鑒于目前比較此類產(chǎn)品系統(tǒng)級功能的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)較少，本文還將專門重點討論運行速率在100MHz以下的MCU/SoC器件。

　　100MHz以下架構(gòu)的特點

　　100MHz以下的MCU通常使用8位、16位或32位架構(gòu)，數(shù)據(jù)總線寬度為8位、16位或32位。這些產(chǎn)品也可分為其它多種類型，如Harvard/Von Neumen和RISC與CISC等，每種類型都有其引人關(guān)注的不同之處。對大多數(shù)MCU而言，不同的指令需要執(zhí)行不同的機器資源。此外，振蕩器頻率通常與機器工作周期不同，比如，就經(jīng)典的8051而言，振蕩器的12個周期才相當(dāng)于機器工作1個周期。而對許多PIC器件而言，4個振蕩器周期就對應(yīng)于1個機器工作周期。

　　下面我們通過一個示例來更好地了說明這一問題。假設(shè)某器件的振蕩器頻率為20MHz，其兩個振蕩器周期對應(yīng)于1個機器工作周期。此外，指令執(zhí)行需要1到6個機器工作周期。那么，該器件的MIPS額定值是多少呢？我們將振蕩器頻率除以2，得到可用的機器工作周期為1千萬。不過，如何將機器工作周期轉(zhuǎn)換為MIPS則取決于我們?nèi)绾慰创@一問題。如果您是營銷人員，您會只專注于最佳情況，也就是假定每條指令只要一個工作周期，這樣這款產(chǎn)品的性能就是10 MIPS。如果您想了解最低的理論性能，那么就會假定每條指令需要6個工作周期，這就會得到1.66(10/6)MIPS。這里我們得到了最高和最低的MIPS。對典型應(yīng)用而言，實際的MIPS性能介于二者之間，具體取決于應(yīng)用的指令集組合。我們這里還作了令一個假定，即認(rèn)為不同的架構(gòu)指令計算性能類似，但這基本上是不現(xiàn)實的。

　　我們這里假定機器工作周期數(shù)量是決定器件執(zhí)行指令數(shù)量的唯一因素。下面，我們設(shè)想一下閃存對處理性能的影響。一般而言，閃存提供數(shù)據(jù)的速率不超過20MHz。因此，如果CPU運行速率超過20MHz，而用閃存執(zhí)行指令，那么閃存數(shù)據(jù)速率就成為了最大的瓶頸。在此情況下，我們可讓閃存總線帶寬高于數(shù)據(jù)總線帶寬，并創(chuàng)建指令緩沖器以跟上指令速率，從而解決上述問題。要做到這一點，CPU就要在執(zhí)行當(dāng)前指令時調(diào)用下一條指令。這種做法對線性代碼而言沒問題。但不幸的是，實際系統(tǒng)代碼很少是線性的。每次代碼出現(xiàn)分支，指令緩沖器都必須重構(gòu)。另一種改進(jìn)性能的辦法是添加緩存容量。簡而言之，如果一個MCU/SoC管理閃存的效率較高，而另一個效率較低，則即便機器工作循環(huán)和指令集相同，性能數(shù)據(jù)也將大不相同。

　　我們已經(jīng)比較熟悉類似上述的各種因素，開發(fā)人員通常會在比較不同器件的性能時考慮到這些相關(guān)因素。下面我們來談?wù)勀承┎惶黠@的因素。

　　DMA對MIPS的影響

　　某MCU/SoC器件支持DMA(直接存儲器存取)功能，其能將CPU從存儲器存取工作中解放出來，從而提高性能。我們怎么*估DMA對MIPS的影響呢？先來看看主模式下串行通信協(xié)議SPI的典型使用情況。SPI是一個很好的例子，因為它通常是MCU/SoC上最高吞吐量的板內(nèi)通信外設(shè)，而且配合存儲器、以太網(wǎng)、無線收發(fā)器芯片等一同使用。

　　假定：

　　SPI速率：8Mbps

　　數(shù)據(jù)包大小：128字節(jié)

　　數(shù)據(jù)吞吐率要求：每個數(shù)據(jù)包160uS

　　如SPI速率為8Mbps，那么傳輸1個字節(jié)需要1uS。因此，傳輸128個字節(jié)需要128uS。我們的預(yù)算為每個數(shù)據(jù)包160uS，這就剩下32uS(160-128)用于SPI管理。這32uS的預(yù)算要平均分配給128個字節(jié)，因為系統(tǒng)每一個uS都要載入一個新數(shù)據(jù)字節(jié)。32uS除以128即可得到SPI管理每數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸有250nS的時間。

　　就上例而言，DMA將MCU/SoC速率需求降低了160MHz，而將CPU處理能力需求降低了200MHz。如果我們假定一次周期相當(dāng)于MIPS，那么本應(yīng)用的DMA就相當(dāng)于一個200MIPS處理器。

　　DMA實現(xiàn)的高效MIPS在很大程度上取決于吞吐量需求。我們再舉一個本應(yīng)用的極端例子。假定每個數(shù)據(jù)包沒有時間限制，那么DMA每字節(jié)節(jié)約的CPU周期數(shù)達(dá)50個，那么就128個字節(jié)而言，周期數(shù)節(jié)約可達(dá)6400個。如果MCU需要在16MHz的情況下支持8MHz SPI，且128個字節(jié)的數(shù)據(jù)包每秒只傳輸一次，那么不支持DMA的MCU/SoC運行速率就需達(dá)到每秒16,00*00條指令，性能水平和支持DMA的MCU每秒160萬條指令相當(dāng)。因此，就這一特殊的使用案例而言，DMA的影響可以忽略不計。

　　協(xié)處理器對MIPS的影響

　　MCU/SoC帶協(xié)處理器的情況并不少見。協(xié)處理器能并行處理某些高計算強度任務(wù)，將CPU解放出來并提高處理器的MIPS效率。

　　我們不妨設(shè)想一下這樣一款應(yīng)用，其輸入音頻數(shù)據(jù)進(jìn)入后由ADC采樣，采樣頻率為44.1Ksps。假設(shè)我們希望抑制50或60HZ的直線頻率。為此，我們需要使用數(shù)字帶阻過濾器。

　　采樣速率：44.1Ksps，采樣間隔22.7uS

　　FIR過濾器抽頭數(shù)：128

　　為了簡化說明，我們不考慮過濾器的輸出級。

　　就上例而言，協(xié)處理器將CPU速率要求降低了44.1 MIPS。請注意，該示例采用了簡單的FIR過濾器。如果需要更復(fù)雜的過濾器，那么MIPS要求可能會高得多(數(shù)百MIPS)。

　　可編程數(shù)字器件對MIPS的影響

　　一些MCU/SoC器件的可編程數(shù)字邏輯為CPLD或FPGA邏輯形式，這使開發(fā)人員能用硬件實施CPU功能，而CPU功能傳統(tǒng)上是用軟件實施的。下面我們來看看可編程數(shù)字邏輯對MIPS有什么影響。

　　我們假設(shè)三相無電刷DC(BLDC)電動機的轉(zhuǎn)速為30,000rpm。電動機的轉(zhuǎn)動要求脈沖時序。出于簡化目的，我們還假定用霍爾感應(yīng)器來探測電動機轉(zhuǎn)子的位置。三個這樣的霍爾感應(yīng)器用來實現(xiàn)上述目的。每轉(zhuǎn)60度，霍爾感應(yīng)器輸出之一就會發(fā)生變化。如果電動機有兩個轉(zhuǎn)子極組，那么兩個電氣循環(huán)將對應(yīng)于一次機械轉(zhuǎn)動。這就是說，就一次完整轉(zhuǎn)動而言，霍爾感應(yīng)器輸出會改變12次?；魻柛袘?yīng)器輸出導(dǎo)致6個PWM輸出變化。各帶配套輸出的三個PWM用于創(chuàng)建6個PWM輸出。下圖顯示了霍爾感應(yīng)器輸入同PWM輸出之間的關(guān)系。PWM值為正說明PWM高壓側(cè)工作，值為負(fù)則說明PWM低壓側(cè)工作。

　　下面我們來分析通常如何實施BLDC轉(zhuǎn)換，以及如果器件具備可編程邏輯(CPLD或FPGA)功能，又將如何簡化BLDC轉(zhuǎn)換。

　　就上例而言，可編程數(shù)字技術(shù)將CPU速率要求降低了1MIPS。如果電動機轉(zhuǎn)速較低，那么該技術(shù)對MIPS的影響也較低，反之亦然。上例采用了優(yōu)化組裝和簡單的開環(huán)控制。實際應(yīng)用會更加復(fù)雜，且通常使用C代碼，以簡化維護(hù)和再利用。如果使用一般性C代碼，則MIPS要求會增加到3 MIPS。幾乎所有電動機控制應(yīng)用都需要類似于PID控制的多控制回路，這提高了計算要求。不過，如果通過硬件來完成相同工作，那么就能確保CPU占用為零。因此，整個電動機控制應(yīng)用的MIPS需求介于5到10 MIPS之間，而采用硬件方法，需求則為零。

　　基于可編程邏輯的實施方案具有較高的再利用性，且不存在任何集成問題。實施一個電動機控制所需的可編程數(shù)字邏輯要求非常低，因此我們能在硬件中實施多個電動機控制和轉(zhuǎn)換邏輯。如果用CPU完成相同的工作，由于我們無法同時處理兩個中斷，那么MIPS需求就會增長好幾倍。此外，為了保證合理的中斷響應(yīng)時間，CPU運行速率必須比最低速率要求快得多。因此，我們能用可編程邏輯輕松地實施完整的BLDC電動機控制系統(tǒng)，比如4個這樣的系統(tǒng)。不過，如果用MCU固件來實現(xiàn)相同的任務(wù)，則需要約100 MIPS的性能。

　　正如本文所述，MIPS并不能代表MCU/SoC器件解決系統(tǒng)級問題的真正能力。如果器件具備上述所有功能，那么什么樣的器件MIPS性能才適用呢？200 MIPS、500 MIPS還是1,000 MIPS？在所有情況下，MIPS不過是一個意義非常有限的數(shù)字而已。

　　那么，開發(fā)人員如何確定最適合應(yīng)用需要的器件呢？不幸的是，這個問題并不太容易回答：

　　·確定應(yīng)用中存在關(guān)鍵計時或CPU性能要求的區(qū)域。

　　·確定MCU/SoC廠商是否提供應(yīng)用說明或類似于您所需應(yīng)用的示例項目。如果已經(jīng)提供，則能為您針對既定MCU/SoC來優(yōu)化應(yīng)用的程度提供指導(dǎo)。如果沒有提供，則應(yīng)想辦法找到使用給定架構(gòu)實施應(yīng)用的潛在辦法，并了解您可使用哪些硬件特性。

　　·根據(jù)上述示例所示粗略估算MIPS性能要求。計算不必特別精確。您應(yīng)盡力確定潛在的巨大差距。在上述所有示例中，性能差異都已足夠大，精確計算已非必要。

　　·如果性能差距較小，比如在10%到20%之間，而工作任務(wù)是應(yīng)用的主要組成部分，則唯一的選擇是用廠商的開發(fā)工具包創(chuàng)建特定的實施方案，檢測實際性能差距。

　　·如果您計劃購買大量器件，則有關(guān)要求可作為RFQ(詢價單)的一部分。這讓廠商能根據(jù)您的特定應(yīng)用提供器件性能相關(guān)信息。