隨著嵌入式應用越來越多地處理語音、視頻和其他高速數據，對數字信號處理的需求已成為廉價、低功耗 MCU 的主要挑戰——更不用說嵌入式開發人員了。MCU 制造商在一些 MCU 中添加了 DSP 功能以擴展其功能，創建了一類稱為數字信號控制器 （DSC） 的 MCU。本文指出了 DSP 算法存在的困難，并研究了一些符合挑戰。

　　對速度的需求

　　幾乎所有 MCU 都可以處理基本控制應用，但實時處理高速音頻和視頻信號的計算量要大得多。DSP 涉及在將這些信號轉換為數字形式后用于處理這些信號的算法和技術。需要不同的算法來增強圖像、識別或生成語音，或壓縮數據以進行傳輸或存儲。完全用軟件實現它們會慢得讓人無法接受，因此需要某種硬件加速。

　　即使通用 MCU 可以處理高速信號，其功率預算也會受到嚴重影響。添加專用 DSP 芯片或使用高速 RISC 處理器、FPGA 或 ASIC 可以解決這兩個問題，但在成本、電路板空間和設計復雜性方面的成本要高得多。嵌入式開發人員的第一道防線是正確選擇算法——為手頭的任務找到計算密集度最低的算法；然后找到一個經過優化以處理這些算法的 MCU。

　　數字濾波器

　　幾乎所有信號都需要某種濾波，無論是降低噪聲、去除不需要的信號分量還是縮小輸入波形。兩種基本類型的數字濾波器是無限脈沖響應 （IIR） 和有限脈沖響應 （FIR）。IIR 濾波器是一種反饋系統，它根據當前和先前的輸入以及先前的輸出生成輸出。實現 IIR 濾波器的計算強度低于 FIR 濾波器。然而，IIR 濾波器在穩定性、線性度和對量化噪聲的敏感性方面存在問題。它們通常需要 32 位硬件才能有效地實現它們。

　　FIR 濾波器僅根據當前和以前的輸入生成輸出；它們沒有反饋回路并且本質上是穩定的；它們也不存在 IIR 濾波器所具有的相位線性和量化噪聲問題。FIR 濾波器比 IIR 濾波器更易于設計，但計算量更大，因此設計人員需要注意速度和功率之間的權衡。FIR 濾波器可以在 16 位定點硬件中實現，如果 CPU 和乘法累加 （MAC） 單元足夠快，甚至可以在 8 位 MCU 中實現。

　　數據轉換

　　信號處理通常需要在時域和頻域之間來回快速轉換信號。支持 DSP 的 MCU 通常可以處理這些轉換，而無需借助外部 DSP 或 FPGA。雖然離散傅里葉變換 （DFT） 廣泛用于頻譜分析、數據壓縮和數據卷積，但它對 MCU 的計算量太大；因此，快速傅里葉變換 （FFT） 很受歡迎，它可以以更少的工作量提供相同的結果（圖 1）。FFT 算法是一組非常適合 MAC 的加法和乘法。

　　圖 1：不同 N 的 DFT 和 FFT 復數計算（由 Silicon Labs 提供）。

　　FFT 仍然是一種計算密集型算法，尤其是當樣本數量 n 變大時。通過首先優化算法通常可以實現很大的速度節省；例如，刪除不必要的計算和零和。然后尋找具有單周期 MAC、桶形移位器和其他硬件 DSP 優化的 MCU，以實現高速信號處理。

　　幾個示例

　　Silicon Labs強調其 8 位C8051F12x和C8051F360 MCU 能夠實時計算 FIR 濾波器算法，同時仍為其他任務留出充足的 CPU 資源。C8051F124 _包括一個 50 MHz/50 MIPS 8051 CPU 內核；8 位和 12 位 ADC；一個 12 位 DAC；8/16 位脈寬調制；256 字節的 RAM；和 128 KB 的閃存。每次通過 FIR 濾波器都需要乘法和累加，芯片的 MAC 引擎為此進行了優化。Silicon Labs 為其支持 DSP 的 MCU 提供了一個 FIR 示例，該示例利用了循環緩沖區和鏡像優化，后者將向 MAC 的數據移動操作減少了大約 25%。對于希望進一步了解這一點的讀者，Digi-Key 提供了 Silicon Labs C8051F360-TB 目標板，它帶有示例 C 源代碼。

　　移動到 16 位，Microchip Technology DSPIC30F、DSPIC33E和DSPIC33FDSC 可以輕松處理高階 FIR 濾波器。事實上，正是 Microchip 在 2002 年推出 6000 系列 DSC 時創造了“數字信號控制器”這個術語。此后，該公司創建了支持 DSP 的 MCU 產品線 （dsPIC）。所有 dsPIC MCU 都集成了 DSP 功能，包括單周期 16 x 16 MAC；40位累加器；雙操作數獲取；飽和和舍入模式；收費圖書館；和低成本的濾波器設計工具。

　　70 MIPS dsPIC33EP256將單周期 MAC 與雙數據提取相結合；兩個 40 位寬的累加器；單周期、混合符號 MUL 加硬件除法；32位乘法支持；15個DMA通道；以及多達 7 個具有獨立時序和 8.2 ns 分辨率的 PWM 對。dsPIC33E 可以處理一些相當復雜的濾波器應用（圖 2）。Digi-Key 帶有 Microchip 的產品培訓模塊“ dsPIC33F 架構簡介”，其中提供了更詳細的信息。DSPIC30F 演示板對于那些希望自己進行檢查的人來說，它是一種開發和評估工具，支持許多用于傳感器、電機控制和通用應用的 dsPIC30F 器件。

　　圖 2：dsPIC DSP 性能示例（由 Microchip 提供）。

　　飛思卡爾的60 MHz 16 位MC56F8367集成了眾多 DSP 功能，包括單周期 16 x 16 位并行 MAC；四個 32 位累加器；512 KB 程序閃存；數據閃存和數據 RAM 各 32 KB；兩個 12 路輸出的 PWM 模塊；和具有 16 個自校準輸入的 12 位 ADC。MC56F8367 旨在為汽車、工業控制、醫療、電源管理和家用電器應用提供“32 位性能和 16 位代碼密度”。 德州儀器

　　_ TMS320F2802是一款 60 MHz 32 位 DSC，具有 32 K x 16 閃存和 6 K x 16 SRAM。針對高速電機控制和 PFC 應用，TMS320F2802 包含一個雙 MAC，可以執行 16 x 16 位和 32 x 32 位 MAC 操作；一個高分辨率 PWM 模塊，可產生多達 16 個 PWM 輸出；以及具有 2 x 8 通道輸入多路復用器的 12 位 ADC，轉換速率為 160 ns （6.25 Msample/s）。TI 的產品培訓模塊“電機信號鏈概述”解釋了如何在典型應用中使用該組件和其他電機信號鏈組件。

　　雖然瑞薩并未將其 DSP 優化的RX621 稱為MCU 一個 DSC，它仍然滿足所有條件：一個 32 位桶形移位器；基于 32 位寄存器的 MAC（最多 80 位結果）；一個 8 通道、12 位 ADC；512 KB 程序閃存；和 96 KB 的 RAM。32 位 100 MHz RX621 包括一個單精度 FPU，支持加/減/比較/乘/除和其他 DSP 密集型指令。提供多種通信接口（CAN、以太網、I2C、SPI、USB）以適應廣泛的應用。瑞薩“ RX Core ”產品培訓模塊更詳細地解釋了該芯片，而瑞薩 RX62N 演示套件讓您可以對其進行實際評估。

　　概括

　　為 DSP 指令添加大型單周期 MAC、桶形移位器和其他硬件支持使 DSC 能夠承擔相對高速的信號處理任務。通過使用 DSC，嵌入式開發人員通常可以避免購買更昂貴的處理器或添加單獨的數據處理芯片的成本。