? 8 bit/16 bit微控制器通常需要消耗很多計(jì)算資源來(lái)做這些工作,。今天,，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算的強(qiáng)大微控制器開(kāi)始出現(xiàn)，32 bit微控制器有足夠的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)其中的許多功能。

評(píng)估微控制器的性能
? 相比于專業(yè)的DSP處理器,，微控制器用于信號(hào)處理具有如下優(yōu)勢(shì)：
? (1)有效的循環(huán)控制,；

? (2)豐富的外設(shè)；

? (3)單一的處理器結(jié)構(gòu),、指令集和開(kāi)發(fā)工具鏈,；

? (4)統(tǒng)一的中斷和任務(wù)切換環(huán)境，同類(lèi)存儲(chǔ)器,；

? (5)同樣的操作系統(tǒng)同時(shí)管理控制和信號(hào)處理任務(wù),，基于MMU；

? (6)由于大大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程,，所以上市時(shí)間較短；

? (7)流行的微控制器容易獲得,，開(kāi)發(fā)工具成本低,。
?

? ?如何評(píng)估微控制器的性能是否滿足應(yīng)用需求，是工程師在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的早期階段需要考慮的問(wèn)題,。評(píng)價(jià)和匯總來(lái)自數(shù)據(jù)手冊(cè)的信息是一種有效方法,，另一種方法是使用某一類(lèi)型的評(píng)估板來(lái)進(jìn)行特定性能測(cè)試和功耗測(cè)試的方法。這兩類(lèi)方法都有各自的缺點(diǎn),。

?? 依賴于數(shù)據(jù)手冊(cè)的比較是有風(fēng)險(xiǎn)的,，而測(cè)試多種硬件通常不切實(shí)際、耗時(shí)且昂貴,。本文檢驗(yàn)了一種使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的中間解決方案,，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，當(dāng)關(guān)鍵器件選定以后,，使用這種方法來(lái)評(píng)估性能和能耗,。

?? 目標(biāo)是調(diào)查恩智浦微控制器在幾種不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下的系統(tǒng)性能，并把收集到的數(shù)據(jù)和能耗關(guān)聯(lián)起來(lái),。這就需要同時(shí)測(cè)量性能和功耗,，進(jìn)而能夠測(cè)量在特定負(fù)載下的整體能耗。

?在評(píng)估過(guò)程中,，使用了三個(gè)步驟：

?(1)通過(guò)運(yùn)行各種系統(tǒng)測(cè)試基準(zhǔn),，并改變不同的系統(tǒng)參數(shù)，抽象出系統(tǒng)特征,；

?(2)解釋收集的特征數(shù)據(jù)來(lái)確立系統(tǒng)的行為,；

?(3)通過(guò)系統(tǒng)的行為決定怎樣設(shè)定控制參數(shù)，從而使系統(tǒng)表現(xiàn)達(dá)到預(yù)想的效果,。

特征化
?? 從理論上來(lái)說(shuō),，性能測(cè)試是對(duì)運(yùn)作系統(tǒng)式樣的質(zhì)化或量化評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的式樣可能不夠詳細(xì),，不足以定義完整的質(zhì)量測(cè)試,，創(chuàng)建測(cè)試也許太昂貴，不能保證其開(kāi)發(fā),。一個(gè)比較好的得到系統(tǒng)特征的折衷方法是,，使用測(cè)試基準(zhǔn)作為一個(gè)或一系列以軟件執(zhí)行的測(cè)試，提供量化的數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)比較不同系統(tǒng)的特性,。

? 為得到微控制器的特性，從EEMBC的Auto-Bench組選擇一套性能測(cè)試基準(zhǔn),。這些基準(zhǔn)幫助預(yù)測(cè)微控制器在汽車(chē)電子,，工業(yè)和一般應(yīng)用中的性能。運(yùn)行每一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試都通過(guò)多次反復(fù)循環(huán)以消除一些啟動(dòng)代碼在每次測(cè)試開(kāi)始時(shí)只運(yùn)行一次的影響,。使用這一工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)組件的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是可以將結(jié)果數(shù)據(jù)與其他類(lèi)似架構(gòu)微控制器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，以評(píng)判總體系統(tǒng)性能。

? 這里所測(cè)試的微控制器是基于ARM926EJ-S內(nèi)核,，帶硬件矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器和一個(gè)32 KB的指令緩存(I-cache),。該測(cè)試衡量浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能。在微控制器不同的工作頻率時(shí)運(yùn)行Auto-Bench測(cè)試基準(zhǔn),，使用Energy-Bench測(cè)量每一基準(zhǔn)執(zhí)行中消耗的能量,。Energy-Bench是另一個(gè)EEMBC工具，可以測(cè)量基準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行時(shí)處理器消耗的能量,。從Energy-Bench收集的數(shù)據(jù)可以觀察到微控制器在各種不同負(fù)載下的能量效率,。選擇了這些工具來(lái)評(píng)估微控制器，下一步就是確定微控制器在不同運(yùn)行條件下的性能,。

性能分析
?? 為了分析微控制器的性能,，需要決定在不同條件下的整體系統(tǒng)響應(yīng)。在測(cè)試項(xiàng)目中,，需要評(píng)估恩智浦微控制器上浮點(diǎn)協(xié)處理器和指令緩存的性能,。

? ?運(yùn)行Auto-bench基準(zhǔn)測(cè)試組，改變4個(gè)參數(shù)：運(yùn)行頻率,、CPU核的電壓,、指令緩存的狀態(tài)和浮點(diǎn)協(xié)處理器的狀態(tài)。

?? 圖1為建立Auto-Bench/Energy-Bench測(cè)試環(huán)境的示意圖,。由三部分組成：數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（DAC）,、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和測(cè)試目標(biāo)。美國(guó)國(guó)家儀器公司的DAC連接到PC機(jī)上,，PC機(jī)運(yùn)行Energy-Bench這一功耗和能耗測(cè)試軟件,。軟件測(cè)試環(huán)境使用KeilTM集成開(kāi)發(fā)工具來(lái)編譯，下載和運(yùn)行Auto-Bench測(cè)試基準(zhǔn)。把供給微處理器的三個(gè)電源電壓隔離開(kāi),，Energy-Bench可以測(cè)量Auto-Bench基準(zhǔn)測(cè)試中消耗的能量,，并計(jì)算在每一測(cè)試中消耗的總能量。

圖2 EEMBC的有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

?

?? 在4種不同的頻率下運(yùn)行Auto-Bench(13 MHz,、52 MHz,、104 MHz和208 MHz)，并組合其他測(cè)試條件,，包括打開(kāi)或關(guān)閉浮點(diǎn)協(xié)處理器,，打開(kāi)或關(guān)閉指令緩存。浮點(diǎn)協(xié)處理器默認(rèn)為不使能的,，使得編譯器對(duì)任何需要浮點(diǎn)運(yùn)算的情況使用軟件浮點(diǎn),。

?? 實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比本文中所能呈現(xiàn)的多，這里只介紹兩個(gè)有代表性的案例以表現(xiàn)收集的特征數(shù)據(jù)怎樣決定系統(tǒng)的性能,。圖2中以圖形方式表示了EEMBC的有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果,。圖3則以圖形方式表示收集到的EEMBC的基本整數(shù)浮點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。在13 MHz運(yùn)行兩個(gè)不同的基準(zhǔn)測(cè)試,，在0.9 V～1.2 V之間改變CPU核的電壓。當(dāng)測(cè)試基準(zhǔn)運(yùn)行在CPU時(shí)鐘設(shè)置為208 MHz時(shí),，AHB的時(shí)鐘設(shè)置為其極限104 MHz,。在所有其他測(cè)試頻率中，CPU時(shí)鐘和AHB時(shí)鐘是相同的,。

圖3 收集到的EEMBC的基本整數(shù)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果

??選擇FIR基準(zhǔn)作為一個(gè)測(cè)試基線是因?yàn)樗话↑c(diǎn)運(yùn)算,，當(dāng)與基本整數(shù)浮點(diǎn)基準(zhǔn)進(jìn)行比較時(shí)，它可以提供有用的數(shù)據(jù),。提供這兩個(gè)基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)以確定指令緩存和浮點(diǎn)協(xié)處理器性能所需的必要信息,。

?? 首先來(lái)看指令緩存的性能，觀察圖2和標(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s的圖,。數(shù)據(jù)表明,，在所有頻率下，當(dāng)指令緩存使能時(shí),，微控制器的絕對(duì)性能都更好,。第二，當(dāng)CPU時(shí)鐘頻率增加時(shí),，即使指令緩存提供了更好的絕對(duì)性能,，其提高的相對(duì)幅度不是線性的。通過(guò)觀察標(biāo)示著循環(huán)次數(shù)/s/MHz的圖,，讀者可以驗(yàn)證這一特性,。圖2表明，對(duì)于幾乎所有的CPU時(shí)鐘頻率性能都線性增加大約100次/s/MHz，而除了運(yùn)行在208 MHz時(shí),，根據(jù)指令緩存使能與否,，性能降至60或80次/s/MHz。

? 很明顯,，當(dāng)指令緩存使能時(shí),，系統(tǒng)運(yùn)行更快。因?yàn)楫?dāng)CPU從指令緩存執(zhí)行指令時(shí),，對(duì)AHB RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的次數(shù)減少,。

? 非線性性能特征是由于AHB時(shí)鐘具有最高104 MHz的上限的結(jié)果。當(dāng)AHB時(shí)鐘慢于CPU時(shí)鐘時(shí),，CPU必須等待較長(zhǎng)的時(shí)間以從AHB總線的RAM上讀取指令,，其結(jié)果是每MHz相對(duì)性能的增加較小。

??下面分析一下指令緩存對(duì)能耗的影響,。如果只考慮圖2中功率（Power）的絕對(duì)功耗,，也許會(huì)得出關(guān)閉指令緩存可以節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)能量的結(jié)論。然而,，Energy-Bench數(shù)據(jù)表明,，當(dāng)指令緩存被使能時(shí)，每一個(gè)基準(zhǔn)循環(huán)消耗的能量實(shí)際上是低于指令緩存被關(guān)閉時(shí)的,。

?? 更詳細(xì)地對(duì)能量（Energy）圖進(jìn)行觀察表明,，當(dāng)指令緩存使能，在208 MHz,，1.2 V時(shí)每個(gè)循環(huán)消耗的能量甚至低于其他運(yùn)行頻率,。實(shí)際上，有10%～12%的提高,。換句話說(shuō),，在使能指令緩存的情況下執(zhí)行同樣的基準(zhǔn)，高速(208 MHz)運(yùn)行較短的一段時(shí)間比低速(52 MHz或104 MHz)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間具有更好的能量效率,。

?? 從圖3及循環(huán)次數(shù)/s的圖可以看到使用浮點(diǎn)協(xié)處理器的運(yùn)行效率和能耗,。這張圖相當(dāng)生動(dòng)地表明了集成的浮點(diǎn)協(xié)處理器的性能效果。在頻率為208 MHz時(shí),，使能指令緩存,，使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算，微控制器運(yùn)行在大約8 500次/s,；而使用浮點(diǎn)協(xié)處理器,，這一值越至超過(guò)32 500次/s，性能提高超過(guò)280 %,。

?? 檢驗(yàn)浮點(diǎn)協(xié)處理器的能耗效果參見(jiàn)圖3中的能量圖,。當(dāng)指令緩存使能,、使用軟件浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，每個(gè)基準(zhǔn)負(fù)載在208 MHz的能量表明微控制器消耗每次循環(huán)大約16 J,； 而使用浮點(diǎn)協(xié)處理器時(shí),，這一值小于4 J/循環(huán)-節(jié)省超過(guò)75%的能量，而工作量是相同的,。

?? 圖2和循環(huán)次數(shù)/s圖表明,，在頻率為13 MHz、供電電壓為0.9 V和1.2 V時(shí),，性能基準(zhǔn)數(shù)據(jù)是相等的,。

?? 然而，功率圖表示,，在1.2 V時(shí)的功耗比0.9 V時(shí)的功耗要高大約75%,。

系統(tǒng)控制參數(shù)
?

?? 在測(cè)試?yán)又校褂玫腅EMBC特性工具決定目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)中指令緩存和浮點(diǎn)協(xié)處理器的性能,。根據(jù)這一性能,，可以選擇通用的配置參數(shù)，以提供具有低能耗的系統(tǒng)性能的最好條件,。