デジタル信号処理アプリケーション用のマイクロコントローラ周辺機器の選択方法

この記事では、DSP機能の観点から考えるときに特に重要なマイクロコントローラーの機能と特性について引き続き説明します。

この記事では、DSP機能の観点から考えるときに特に重要なマイクロコントローラーの機能と特性について引き続き説明します。

マイクロコントローラーは、デジタル信号処理をウェアラブル、医療機器、オーディオ機器、およびその他のさまざまな製品やシステムに組み込むための便利で費用効果の高い手段になります。ただし、マイクロコントローラーは主に（当然のことながら）物事を制御するために設計されているため、MCUを効果的なシグナルプロセッサーにする場合は、慎重に選択する必要があります。

前回の記事では、CPUの特性、つまりビット幅、クロック周波数、命令あたりのクロックサイクル、および浮動小数点機能に焦点を当てました。この記事では、マイクロコントローラーをDSP機能により適したものにする周辺モジュールと機能について説明します。

プロセッササポート

一部のハードウェアモジュールは、CPUと、タイマーやコンパレータなどの一般的な周辺機器との間の中間点を占めます。一般的な例はハードウェア乗算器です。

ハードウェアの乗算

ハードウェア乗算器は、リアルタイムDSPシステムの成功と失敗の違いを意味する可能性のある機能の一種です。デジタルフィルタリングやスペクトル分析などの重要なDSPアプリケーションには多数の乗算操作が必要であり、これらは（ユーザーの観点から）妥当な時間で結果を生成するのに十分な速さで実行する必要があります。 —外部システムからデータが到着する速度と同じかそれより速い速度で。

このFIRフィルター構造の三角形は、乗算演算を表しています。

マイクロコントローラアプリケーションの大部分は高度な乗算機能を必要としないため、通常、プロセッサコア自体に乗算器を組み込むことは意味がありません。したがって、ハードウェア乗算器は、CPUからデータを受け取り、非常に効率的な乗算を実行し、結果のデータをCPUで使用できるようにする補足モジュールです。

ハードウェア乗算器は、実際には単なる乗算を超えています。 DSPルーチンでは、積和演算（MAC）と呼ばれるプロセスが必要になることがよくあります。このプロセスでは、（ご想像のとおり）数値を繰り返し乗算し、乗算演算の結果を加算または累積します。ハードウェアMACモジュールは、DSPパフォーマンスを向上させる可能性をさらに高めます。

マキシムの小型で安価なマイクロコントローラーであるMAXQ615に組み込まれているハードウェア乗算器は、符号付きおよび符号なしの16ビット乗算、16ビット積和演算、および16ビットの乗算と減算。

ダイレクトメモリアクセス（DMA）

私は、デジタル化されたベースバンド信号に対してデコードアルゴリズムを迅速に実行する必要があるソフトウェア無線に取り組んでいたときに、DMAについて最初に学びました。その経験は、時間に敏感なデジタル信号処理におけるDMAの価値に永続的に感銘を受けました。

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DMAユニットは、基本的に、データの移動という1つの役割を持つ独立したプロセッサです。このタスクは簡単です。したがって、プロジェクトにDMA機能を組み込んでも、プロジェクトの複雑さが大幅に増えることはありません。また、CPUがメモリと周辺機器の間でデータをシャッフルするのではなく、数値の処理に集中できるため、システムのDSPパワーが劇的に向上します。アプリケーションで計算量の多いリアルタイムDSPが必要な場合は、DMAコントローラーがMCUの機能に特に役立つ可能性があります。

SAM4Sマイクロコントローラー（Atmel製）のDMAコントローラーを使用すると、CPUに次のデータポイントをDACに送信するように常に煩わされることなく、この正弦波を生成できました。

コミュニケーション

デジタル信号処理には、プロセッサだけでなくデジタルデータも処理する必要があります。ほとんどの場合、このデジタルデータはマイクロコントローラーの外部から発信されます。これは、データ転送がDSPチェーンの重要なリンクであることを意味します。

パラレルデータ転送

少なくとも理論的にはシンプルであるため、パラレルインターフェイスが好きですが、想像するほど一般的ではありません。 8ビットまたは16ビットを同時に転送する方が、一度に1ビットを送信するよりもはるかに効率的ですが、シリアルインターフェイスは高速システムでも広く使用されています。パラレルデータ転送がシステムのオプションであり、試してみたい場合は、「外部メモリインターフェイス」（EMIまたはEMIF）、「外部バスインターフェイス」（EBI）、またはこれらのラインに沿ったものを備えたマイクロコントローラを探してください。 。

シリアルデータ転送

I ² Cは高速インターフェースではなく、標準UARTが低または中程度のデータレートに使用される傾向があります。高い最大クロックレートをアドバタイズし、受信機と送信機の間の同期に追加の信号を使用する周辺機器を探します（これにより、データ信号を実際のデータ転送に完全に割り当てることができます）。

「USART」は、私が説明している種類のシリアル通信モジュールのかなり標準的な略語だと思います（「S」は「同期」を表します）。基本的に、ここで私が推奨しているのは、TIの「マルチチャネルバッファシリアルポート」に相当するマイクロコントローラ、つまりMcBSP（ mic-BSP と発音）です。 、モジュールがアイルランドからのものであるかのように）は私の記憶に残り、私の心の中で高速シリアルデータ転送と永続的に関連付けられます...

エラーチェック

堅牢なエラー検出を必要とするアプリケーションは、ハードウェアCRCモジュールの恩恵を受けることができます。

これは、SiliconLabsのEFM8LaserBeeマイクロコントローラーに統合されたハードウェアCRCモジュールの図です。バイトのシーケンスをフィードし、標準のCRC多項式を使用して16ビットの結果を生成します。

結論

多くの低強度および中強度のDSPアプリケーションでは、マイクロコントローラーがデジタルシグナルプロセッサーよりも好ましいと思います。この記事が、プロジェクトに必要なDSPタスクを確実に実行できるマイクロコントローラーの特定に役立つことを願っています。

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マイクロコントローラー入門シリーズの以前の記事：

• マイクロコントローラーとは何ですか？数え切れないほどの電子機器の中心的なコンポーネントの紹介
• アプリケーションに適したマイクロコントローラーを選択する方法
• マイクロコントローラーデータセットの読み方：はじめにと最初のステップ
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