浮點DSC使控制系統如虎添翼

DSC（Digital signal controller，數字信號控制器）是一種面向高端嵌入式系統的最先進的單片控制處理器。基于浮點架構的DSC具有更快的處理速度，所需的程序儲存容量更少，支持更高級的有助于節省功耗的計算算法，同時進一步擴展了系統的性能。浮點編程比定點編程的速度更快，SoC（system-on-a-chip，片上系統）的集成方式能夠有效控制板級空間、元件數量和整體系統開銷。
隨著嵌入式系統承擔的任務越來越復雜，不論是降低功耗還是實現諸如汽車導航之類的新功能，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備，包括一些用戶不常見的設備。例如，根據著名的能源與自動化技術供應商ABB集團的分析，工業電機消耗的電能已經達到了整個行業所用電力的三分之二。雖然可以采用變速控制技術進一步提高電機的運行效率，但是目前只有二十分之一的電機真正采用了支持這一功能的數控電子技術。盡管如此，變速電機相比同類的定速電機每年節省的電能相當于10座電廠的產量，而這10座電廠會排放約6800萬噸二氧化碳氣體。顯然，高級電機控制技術在降低能耗和保護環境方面具有
更大的優勢。
引入高級控制技術降低能耗
可再生能源，例如太陽能電池和風力渦輪機，也是需要采用高級控制技術的“綠色”能源。與電機一樣，這些能量收集裝置也需要采用高級數控技術以提高效率。為了將電池板或渦輪機產生的原始電能實時轉換成用于電池儲存或設備運行所需的合適電能，我們必須采用一定的控制技術。由于太陽光和風力強度會不斷變化，因此需要采用復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都會同時接入電網，所以采用實時控制技術對于保護設備也是必需的。

圖1 F28335浮點DSC內含一個用于處理數據傳輸的6通道DMA控制器
例如，TI公司推出的F283x浮點DSC（如圖1所示）具有性能高、軟件開發方便等特性，適用于電機與運轉控制、車載雷達系統和以太陽能電池陣列和風力渦輪為來源的可再生能源生成系統。這款32位的DSC系列處理器最高工作頻率可達150MHz，峰值運算速度可達每秒3億次浮點操作（MFLOPS）。
相比定點DSC TMS320F28x而言，采用浮點架構之后DSC性能提升了50%。這一系列DSC內含一個6通道DMA控制器，能夠大大減輕處理器核的數據傳輸管理工作，其軟件更新功能有助于用戶更方便地開發同一來源的浮點和定點代碼。
浮點運算
F283x系列DSC的主要性能優勢歸因于它的數值計算格式，這種格式大大簡化了編程，減少了代碼執行時間，縮短了代碼長度。在其他一些DSC和DSP芯片中普遍的采用定點格式只能夠表示整數（沒有小數點的正數和負數），因此涉及小數計算時必須采用其他表示方法。相反，浮點格式能夠表示更大范圍內的實數（帶小數點的數）。內部表示小數以及較寬的數值范圍意味著處理器能夠更高效地執行定標運算（例如控制算法中常見的乘法、除法和三角函數運算）。

圖2 F283x的32位字長的前8位用于表示指數
對于32位的定點架構，其表示整數的范圍為-231～231，帶一個符號位。盡管這個范圍很大，但是當系統執行大量定標運算時，這一數值范圍會很快用光，造成數值超過32位，從而發生寄存器溢出。程序通過對這種數值進行舍入或截取，能夠處理這種稱為飽和的問題，但是犧牲了計算的精度。另外，程序可以將較長的數劃分成多個較短的能夠逐段計算的數，每次處理32位。后面這種實現方法能夠保持全精度，但是由于處理器忙于移動和存儲數值段，計算性能降低了。同時，程序規模也會由于所需的額外指令而增大了。
在這種情況下，浮點架構就顯示出了其性能價值。如圖2所示，在F283x中，32位字長的前8位用于表示指數，其余23位用于表示尾數，1位用作符號位。盡管指數沒有符號位，但是在操作上對保存的指數進行規格化偏移處理，使得指數最終能夠覆蓋負數和正數的范圍。
這樣，存儲在32位浮點字中的數的規格化范圍為±1.738～±3.438，大大超過32位定點數的范圍。由于負指數表示分數，所以這一范圍涵蓋了極小的數到極大的數。這樣大的范圍很難再出現飽和的問題，因此，程序就避免了要么通過舍入或截取犧牲精度，要么通過使用附加周期和指令對大數值進行分段處理而犧牲性能和存儲的兩難問題。
處理器性能增強
表1中列出的運算說明了浮點架構為DSC性能帶來的好處。第一列是控制系統常用的四種算術運算、三角函數運算和兩種算法（快速傅里葉變換和無限沖擊響應）。

表1 定點及浮點架構性能基準測試比較
第二列是在定點DSC上執行相應運算所需的周期數，第三列是在浮點DSC上執行所需的周期數。最后一列是第二列與第三列結果的比值，表示二者的相對性能。浮點處理器執行所列數學運算的速度比定點處理器快2～3倍，執行FFT算法的加速性能也在該范圍內，IIR的加速性能稍低，但仍比定點處理器快。
一般來說，控制算法比信號處理算法能夠獲得更高的性能提升，因為控制代碼執行的基本數學運算較多，需要進行定點換算和飽和處理。即便如此，浮點架構得到的周期數也低得多，對所有信號處理測試程序平均獲得了50%的性能提升。
在各種應用中，這些基準測試程序變換成很多具體的應用程序。精細、多維控制技術可應用于機器人的和CNC（計算機數控）類的設備。伺服電機驅動器的效率將會得到進一步提高，能夠實現PLC（電力線控制）和其他一些高級算法。太陽能與風能逆變器和不間斷電源能夠獲得更高的能量轉換效率，進一步降低每千瓦電能的生產成本，并且能夠控制不同配置的太陽能板陣或風力渦輪機。
軟件開發的優勢
浮點格式也有利于簡化代碼的編寫和調試。浮點數字表示法對于數學運算相比定點表示法更加自然，因此對高級語言的支持更加直接。當代碼經過編寫和驗證調試之后，可以直接導入浮點DSC進行進一步的測試和最終的生產。
相比之下，在針對定點控制器開發代碼的時候，必須在PC上編寫和調試程序進行驗證，然后還要根據更嚴格的硬件定點表示方法重新編寫代碼。這大大增加了代碼的開發周期，而且一旦對代碼進行轉換之后無法進行回退。
一般地，開發人員不得不同時編寫定點的代碼和浮點的代碼，這就存在可能相互混淆的危險。F283x控制器只需要開發浮點代碼，從而大大簡化了代碼開發過程，節省了開發時間，提高了軟件可靠性。
在存在成本約束的情況下，可以先以浮點控制器為開發平臺進行原型和早期版本的設計，然后改用定點控制器進行量產制造，采用這一開發策略具有明顯的優勢。采用C編譯器和IQ Math工具能夠很方便地編譯浮點和定點兩種方式下同樣的源碼，從而支持這一策略。F283x DSC是一種經濟的控制器解決方案，它是業界第一款采用SoC集成的浮點控制器。隨著浮點架構與定點架構的成本交叉點上升到越來越高的水平，很多高級系統為了節省成本不必進行改動。性能更高、開發更容易的浮點架構成本已經能夠為越來越多的應用所接受，促使人們在嵌入式系統控制領域不斷進行創新研發。