设计出优化性能的实时控制系统关键

设计实时控制系统的工程师不断面临优化性能的挑战。这些系统需要最小的延迟，其中采样、处理和输出之间的时间延迟必须处在紧凑的时间窗口内，以便满足性能规格。控制系统的核心是用于计算控制信号的数学密集算法。利用可快速有效地执行数学运算的微控制器（MCU）是实现这一目标的关键。理想情况下，该MCU将能够在中央处理单元（CPU）执行其它所需任务的同时执行实时控制回路。一些系统甚至可能需要支持使用相同MCU的电力线通信（PLC）。

为此，TI C2000™MCU集成了多达四个集成的片上硬件加速器，可在许多实时应用中显著提高设备性能。四个加速器包括浮点单元（FPU）、实时协处理器控制律加速器（CLA）、三角计算单元（TMU）和维特比、复数数学、CRC单元（VCU）。

每个C2000 MCU设计围绕快速32位定点C28x CPU内核，其利用数字信号处理器和微控制器架构的最佳特性。将FPU添加到C28x定点内核（C28x + FPU）使设备能够无缝支持硬件IEEE-754单精度浮点格式操作。由于浮点数学与定点数学相比提供了大的动态范围，因此开发代码变得更容易，且编程器不再需要关心缩放和饱和。另一个优点是其提高了鲁棒性，因为值不会在溢出或下溢时缠绕数字线，就像在定点数学上。使用编译器工具可轻松编写软件，并移植现有代码。FPU指令是标准C28x指令集的扩展，因此大多数指令将在一个或两个流水线周期中运行，有些指令可并行完成。平均来说，与定点数学相比，使用浮点数学可让性能提高多于2.5倍。

CLA是独立的32位浮点硬件加速器，专为数学密集型计算而设计。它与C28x CPU并行执行实时控制算法，有效地将设备的计算性能提高了一倍。通常，使用CLA的设备在执行各种控制应用时，其性能改进与C28x CPU相比，提高了约1.3倍。此外，通过使用CLA来检修时间关键功能，C28x CPU可释放其他任务，例如通信和诊断。由于CLA可直接访问诸如ADC和PWM模块等各种控制外设，因此它能够最小化延迟并具有快速触发响应。 CLA能够在ADC采样转换完成的相同周期读取ADC结果寄存器，从而提供ADC的“即时”读数，及减少采样到输出延迟，并让系统更快地响应频率控制环路。凭借CLA的性能和效率优势，可在单个设备上实现完整的复杂实时控制应用。

TMU是FPU的扩展，通过有效地执行控制系统应用中常用的三角和算术运算，进一步增强了C28x + FPU的指令集。与FPU一样，TMU是一个与C28x CPU紧密耦合的IEEE-754浮点加速器，但在FPU提供通用浮点数学支持的情况下，TMU专注于加速几个特定的三角数学运算，否则周期相当密集。这些三角运算包括正弦、余弦、反正切、除法和平方根。编译器工具内置支持自动生成TMU指令，从而显著减少了周期，并显著提高了三角运算的性能。TMU的一个关键优点是现有的C28x设计可实现即时优势，而无需重写任何代码，同时可移植性得以保持，因为相同的代码可用于具有和不具有TMU支持的TI MCU。

VCU是一个紧密耦合的定点加速器，将通信应用程序的性能提高了约七倍。此外，将VCU用于这些类型的应用时，可无需单独处理器即可节省成本。除了通信，VCU对于通用的信号处理应用（例如滤波和频谱分析）非常有用。当使用典型的MCU来支持各种通信技术时，存在消耗大部分处理能力的四个关键操作：维特比解码、复杂的快速傅里叶变换（FFT）、复杂的滤波器和循环冗余校验（CRC）。使用VCU的硬件功能，通过提高软件实现的性能，可让应用程序大大受益。

结合高性能C28x CPU内核与各种高级硬件加速器，可实现复杂的实时控制系统所需的快速和高效的处理能力。

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