Microcontrollerperferie selecteren voor high-performance DSP-projecten

Dit artikel vervolgt de discussie over microcontrollerkenmerken die cruciaal zijn wanneer u denkt in termen van DSP-mogelijkheden.

Dit artikel gaat dieper in op de microcontrollerattributen die essentieel zijn voor robuuste digitale signaalverwerking (DSP) toepassingen.

Microcontrollers bieden een handige, kosteneffectieve manier om DSP in te bedden in wearables, medische apparaten, audio-apparatuur en andere systemen. Ze zijn echter primair ontworpen voor controleertaken. Om hun volledige DSP-potentieel te benutten, is een zorgvuldige selectie van perferieën cruciaal.

Het vorige artikel behandelde CPU-eigenschappen zoals woordlengte, kloksnelheid, instructiecycli en floating-point-ondersteuning. Hier bekijken we perferie-modules en -functies die de geschiktheid van een MCU voor DSP vergroten.

Processorondersteuning

Sommige hardwaremodules zitten tussen de CPU en standaard perferieën zoals timers en comparatoren – bijvoorbeeld een hardware-vermenigvuldiger.

Hardware-vermenigvuldiging

Een toegewijde hardware-vermenigvuldiger kan het verschil maken tussen een real-time DSP-systeem dat prestatiedoelen haalt en een dat faalt. Digitale filtering, spectrumanalyse en andere DSP-taken vereisen talloze vermenigvuldigingen die snel genoeg moeten worden uitgevoerd om tempo te houden met binnenkomende datastromen.

De driehoeken in deze FIR-filterstructuur stellen vermenigvuldigingsoperaties voor.

Omdat de meeste MCU-toepassingen geen complexe vermenigvuldiging in de core nodig hebben, is een aparte vermenigvuldigingsmodule een pragmatische keuze. Deze ontvangt operandes van de CPU, voert de berekening efficiënt uit en retourneert het resultaat.

Naast simpele vermenigvuldiging gebruiken DSP-routines vaak multiply-and-accumulate (MAC) operaties – herhaaldelijk getallen vermenigvuldigen en de producten accumuleren. Een toegewijde MAC-eenheid kan de prestaties verder verbeteren.

De MAXQ615 van Maxim integreert een signed/unsigned 16-bit vermenigvuldiger, 16-bit MAC en 16-bit multiply-and-subtract.

Direct Memory Access (DMA)

Mijn eerste kennismaking met DMA was tijdens de ontwikkeling van een software-defined radio die snelle decodering van gedigitaliseerde basebandsignalen vereiste. Die ervaring benadrukte de waarde van DMA voor tijdskritische DSP.

Een DMA-controller is een toegewijde engine die gegevens verplaatst tussen geheugen en perferieën, waardoor de CPU vrijkomt om zich te richten op berekeningen. In toepassingen die intensieve, real-time DSP vereisen, kan een DMA-eenheid de doorvoer aanzienlijk verhogen.

De DMA-controller van de SAM4S van Atmel maakte sinusoïdegeneratie mogelijk zonder de CPU continu te prikken voor elk DAC-monster.

Communicatie

Effectieve DSP vereist niet alleen een krachtige processor, maar ook betrouwbare datapaden. In de meeste gevallen komt invoergegevens van buiten de MCU, wat gegevensoverdracht een kritische schakel maakt.

Parallelle gegevensoverdracht

Parallelle interfaces, hoewel minder algemeen dan seriële koppelingen, kunnen superieure efficiëntie bieden door acht of zestien bits tegelijkertijd te verplaatsen. Als uw systeem parallele gegevens toestaat, zoek dan naar microcontrollers met een External Memory Interface (EMI), External Bus Interface (EBI) of vergelijkbare perferie.

Seriële gegevensoverdracht

Terwijl I²C in snelheid beperkt is en UART doorgaans matig is, profiteren high-performance DSP-systemen van perferieën die hoge maximum kloksnelheden en een toegewijde synchronisatiesignaal ondersteunen. Een USART (synchrone UART) of equivalent multichannel buffered serial port kan de benodigde bandbreedte leveren voor zware DSP-werkbelasting.

Foutcontrole

Ro-buste foutdetectie is essentieel voor mission-critical DSP. Hardware CRC-modules berekenen cyclische redundantiecontroles on-the-fly, wat gegevensintegriteit garandeert zonder de CPU te belasten.

De EFM8 Laser Bee van Silicon Labs beschikt over een hardware CRC-engine die een bytestream accepteert en een 16-bit CRC produceert met een standaard polynoom.

Conclusie

In veel lage tot middelmatige DSP-scenario's presteren microcontrollers beter dan toegewijde DSP-chips wat betreft kosten en integratie. Door de juiste perferieën te selecteren – hardware-vermenigvuldigers, DMA, high-speed seriële interfaces en CRC-eenheden – kunt u betrouwbare, high-performance DSP-oplossingen bouwen.

Eerdere artikelen in de Introductie tot Microcontrollers serie:

• Wat is een Microcontroller? Een introductie tot het centrale component in talloze elektronische apparaten
• Hoe de juiste microcontroller te kiezen voor uw toepassing
• Hoe een microcontroller-datasheet te lezen: Introductie en eerste stappen
• Hoe een microcontroller-datasheet te lezen: De hardware verkennen