Компания Atmel представила новую технологию - блок арифметики с плавающей запятой, ориентированную на семейство 32-битных микроконтроллеров AVR UC3. Данная новая технология позволит заменить двухкристальное решение на основе микроконтроллера и сигнального процессора на однокристальное решение, использующее только один микроконтроллер. Типичные области применения такого решения: автомобильная и промышленная электроника.
Отличительной чертой 32-битных микроконтроллеров AVR UC3 является способность их архитектуры с высокой производительностью выполнять цифровую обработку сигналов. Благодаря поддержке целочисленной и с фиксированной запятой арифметики, что обычно можно встретить только в высококачественных DSP-процессоров, МК UC3 превосходят большинство других микроконтроллеров. Добавление возможностей блока арифметики с плавающей запятой (одинарная точность) позволит клиентам Atmel заменить их существующие решения всего лишь одной микросхемой.
Коротко о блоке арифметики с плавающей запятой
Блок арифметики с плавающей запятой повышает производительность обработки, т.к. микроконтроллер получает возможность выполнения арифметических операций над десятичными числами за меньшее число циклов синхронизации и, при этом, с более высокой точностью. Данная возможность позволит улучшить характеристики разнообразных устройств, в т.ч. устройства управления двигателями, которые можно реализовать на основе улучшенного алгоритма, обеспечивающего более тихую или экономичную работу двигателя; устройства сбора данных с возможностью более тщательной фильтрации и анализа сигналов с целью подавления шума и извлечения дополнительной полезной информации; аудиосистемы с возможностями обработки сигналов без потери их целостности. Блок арифметики с плавающей запятой 32-битных МК AVR UC3 совместим с общепринятым стандартом IEEE 754. Этим гарантируется совместимость с множеством существующих математических библиотек и прикладных кодов.
Блок арифметики с плавающей запятой будет интегрирован в некоторых представителей семейства AVR UC3, ориентированных на автомобильные и промышленные применения. Образцы первых МК в настоящее время изготавливаются для лидеров промышленности. Их доступность на общих основаниях появится во второй половине 2010 года. В первых МК будет применены улучшенные аналоговые модули, в т.ч. два высокоскоростных 12-битных АЦП, два высокоскоростных 12-битных ЦАП и интеллектуальный модуль управления электродвигателем. В новые МК также будет интегрирована вся интеллектуальная периферия, контроллер прямого доступа к памяти и система событий, с которыми можно было познакомиться в рамках микроконтроллеров UC3, представленных в 2009 году.
Некоторые 32-битные микроконтроллеры UC3 оснащены 32-битным IEEE754-совместимым блоком арифметики с плавающей запятой (блок FPU) одинарной точности. Эти микроконтроллеры отвечают требованию к высокоскоростной цифровой обработке сигналов и ориентированы на применение в высококачественных системах управления электродвигателями, системах промышленной автоматики и автомобильной электронике.
Блок FPU дает возможность микроконтроллеру выполнять арифметические операции над десятичными числами за меньшее число циклов синхронизации и, при этом, с более высокой точностью. Такие возможности необходимы в ряде применений: в системах управления электродвигателем для обеспечения более бесшумной или экономичной работы двигателя; в измерительных системах для лучшей фильтрации или лучшего анализа сигналов датчиков в целях подавления шума и извлечения дополнительной информации, а также в аудиосистемах для обработки сигналов без ухудшения их целостности.
Числа с плавающей запятой
Используются 32-битные числа с плавающей запятой с форматом как показано ниже на рисунке:
Более широкий динамический диапазон
Использование формата представления чисел с плавающей запятой позволяет ЦПУ оперировать над числами, которые имеют намного меньшие и намного большие значения по сравнению с целочисленным форматом и форматом с фиксированной точкой. Как видно из приведенной ниже таблицы, формат с плавающей запятой имеет намного больший диапазон.
| Формат числа | Диапазон | Наименьший размер шага | Наибольшее число |
| 32-битный с плавающей запятой | [-1038, 1038] | ~ 1*10-37 | ~ 1*1038 |
| 32-битный целочисленный | [0, 109] | 1 | ~ 2*109 |
| 32-битный с фиксированной запятой | [-1, 1] | ~1*10-37 | 1 |
Повышенная точность
В целях сохранения 23-битной точности результата блок FPU автоматически масштабирует результирующую мантиссу. Этим гарантируется сохранение точности данных при выполнении любой арифметической функции и исключение затрат времени на масштабирование малых чисел, что часто создает проблемы в целочисленной арифметике и арифметике с фиксированной запятой.
Улучшенная производительность
Блок FPU способен выполнить большинство инструкций, оперирующих над 32-битными числами с плавающей запятой, за один цикл синхронизации, а 32-битную операцию умножения с накоплением - за два цикла синхронизации. Для сравнения, ЦПУ, который не содержит FPU на выполнение такой же арифметической операции расходует 30…50 циклов.
Совместимость с IEEE754
Блок FPU выполнен в соответствии с общепринятым стандартом IEEE754. Этим гарантируется совместимость с разнообразными существующими математическими библиотеками и прикладным кодом, в т.ч. созданный в MatLab, IAR Embedded Workbench и GCC.
В некоторых применениях блок FPU может выступить как альтернатива внешнему DSP-процессору начального или среднего уровня.
