Gastkommentar

Fließkommaeinheiten und DSPs in Mikrocontrollern

| Autor / Redakteur: Ian Anderton / Sebastian Gerstl

Ian Anderton: Er ist Senior Manager for Business Development for MIPS bei Imagination Technologies.
Ian Anderton: Er ist Senior Manager for Business Development for MIPS bei Imagination Technologies. (Bild: Bild: Imagination Technologies)

Mikrocontroller werden schon seit Jahrzehnten entwickelt. Die Integration von DSPs und Fließkommaeinheiten in diese Bausteine hat aber einige entscheidende Veränderungen mit sich gebracht.

Was sind die Hauptmerkmale einer DSP oder einer Fließkommaeinheit in einer MCU? Mit dem Übergang von 8-Bit zu 32-Bit wurden immer mehr MCUs in einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt. Hierzu gehören unter anderem das IoT sowie industrielle und vernetzte Systeme. Diese Anwendungen erfordern eine hochentwickelte Signalverarbeitung, die durch herkömmliche CPU-Systeme mit ihrer Energie- und Kostenbegrenzung und die hohe erwünschte Leistungsfähigkeit nicht erreicht wird. Spezielle DSPs und Fließkommaeinheiten (FPU) auf einer SoC-MCU können diesen Anforderungen erfüllen.

DSPs beherrschen eine Reihe mathematischer Operationen mit Multiplikation und Ak-kumulation (MAC), Sättigung, Rundung und Bit-Manipulation – typische Funktionen, die für die effektive Filterentwicklung wie Fast Fourier Transformation (FFT) und Finite Impulse Response Filter (FIR) benötigt werden. DSPs unterstützen und arbeiten auch mit ganzzahligen und fraktionalen 8-, 16- und 32-bit-Datenlängen, wie sie in vielen Anwendungen üblich sind. Die Leistungsfähigkeit wird zudem durch Single-Cycle-MAC-Befehle, SIMD und spezielle Bit-Manipulationen gesteigert. Das gilt auch, wie im Fall der MIPS-basierten DSPs von Imagination, für die Auswahl verschiedener Akkumulatoren oder Register, um die Ergebnisse der DSP-Operationen zu speichern.

FPUs führen andererseits fest zugeordnete trigonometrische Kalkulationen aus, die insbesondere in Echtzeitanwendungen wie Motorregelungen, Leistungsmanagement, und Management von Kommunikationsdaten benötigt werden. FPUs mit doppelter Präzision ermöglichen eine genauere Regelung und ein verbessertes Systemmanagement, wie sie zunehmend in MCU-Anwendungen gefordert werden. Die MIPS-Architektur der FPU von Imagination arbeitet mit einer eigenen speziellen Pipeline, die so die Leistungsfähigkeit erhöht und potenzielle Systemabbrüche verhindert. Die Einbindung einer eigenen Pipeline ermöglicht auch die Ausführung mehrerer Fließkommaoperationen in kürzerer Zeit als der Latenz und verringert die Wiederholraten der Fließkommabefehle.

Betrachten wir eine typische Anwendung als Beispiel, bei der DSP und FPU eine Schlüsselfunktion einnehmen: Sensordatenfusion. Sensordatenfusion bezieht sich auf die Zusammenfassung mehrerer Sensoren in einem einzigen System. Dies ist in einer verrauschten Umgebung eine besondere Herausforderung an die Signalverarbeitung. Sensordatenfusion bietet zudem Echtzeitkalibrierung und Feinabgleich, die in zeitbeschränkten Anwendungen nur effektiv sind, wenn hochpräzise DSPs und FPUs mit Koprozessorfähigkeiten eingesetzt werden. So sind dann auch verschiedene Sensoren wie Beschleunigungs-, Gyroskop-, Druck-, Temperatur- und Berührungssensoren sowie weitere Sensoren möglich, wobei jeder seinem eigenen Regel- und Managementalgorithmus unterliegt und so mit DSPs sowie FPUs ein effektives System realisiert werden kann.

Zahlreiche Hersteller setzen inzwischen darauf, diese zusätzlichen Funktionalitäten in ihre Mikrocontroller-Architekturen zu integrieren. Hersteller wie ARM und Imagination (MIPS) sind kompatibel in ihren MCU-Architekturen und unterstützen eine ganze Reihe von typischen Komponenten. Zudem lassen sie sich in viele Systeme integrieren. Andererseits entwickeln einige Hersteller ihre eigenen MCU-Architekturen, wie zum Beispiel ColdFire von Freescale, SuperH von Renesas, Blackfin von DI oder AVR von Atmel.

Hier sind mehrere Anbieter von MCU IP und Open Source Optionen versammelt, und das ist gut für das Marktgeschehen, das so eine Auswahl ermöglicht. Denn Wettbewerb fördert den technischen Fortschritt. Die Prognosen für den Markt sagen über 30 Milliarden MCUs für das Jahr 2020 für den Bedarf unzähliger Anwendungen und MCUs voraus. Der MCU-Markt mag daher vielleicht auf einen oberflächlichen Blick hin begrenzt oder geschlossen aussehen – aber er ist es nicht!

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