MCU與DSP的聚合，驅動科技新應用

美普思科技 亞太區？大中華區技術總監許丁堅

MCU與DSP以往總是涇渭分明，前者以強調低成本、整合多元週邊且即時控制為主，而後者則高效能高單價，以處理混合訊號、整數？浮點數參雜的海量運算資料，單指令多重資料操作的設計特質。以往MCU與DSP效能級距相差甚大，彼此各自擁有一片天地，隨著32位元MCU的普及，MCU有逐漸追上DSP的效能級距，甚至開始有融合MCU與DSP的嶄新架構的出現…

MCU與DSP的歷史發展與聚合化趨勢

美商美普思科技(MIPS Technologies, Inc)亞太區？大中華區技術總監許丁堅(James Syu)指出，MIPS是全球領先的RISC精簡指令架構的處理器核心供應商，總部設於美國加州，全球員工數160位且半數為研發人員。MIPS處理器架構由現任史丹佛大學校長John Hennessy在20多年前所開發，具備600項專利，並採取IP智財授權的商業模式，授權像是博通(Broadcomm)、Cavium Network、大陸的北方君正、Microchip、新力、東芝等業者SoC採用MIPS技術，在數位家庭、機上盒、網通裝置、導航裝置等廣泛被應用到，近10年全球累積出貨數量超過36億顆，光最近一年出貨的MIPS SoC達6.56億顆。

在MIPS發展歷史上，遠自1991年MIPS就發表產業第一顆64位元的微處理器，1999年正式有MIPS32與MIPS64指令集架構的分野。2001年首度採取高效能、可合成的32位元MIPS32核心授權；2002年推出微控制器(Microcontroller)導向的M14Kc核心，2005年推出DSP延伸應用，2006年多執行緒(Multi-threading)技術的導入，2007年提供超純量效能(Superscalar Performance)，2008年對稱協調式多核心？多重處理(Coherent multiprocessing)架構，在2010年推出先進的可壓縮microMIPS指令碼架構，到最近2012年6月正式推出Aptiv微核心架構。

他提到關於MCU與DSP的發展沿革，在MCU部份，從1970年代德州儀器(TI)推出第一顆4bit MCU—TMS1000，而1980年8051 8位元MCU，至今仍舊存活，1990年代PIC16 MCU率先內建8bit EEPROM記憶體，隨後Atmel推出第一顆整合8bit Flash記憶體的MCU；2000年率先出現具備16bit MCU與DSP的DsPIC晶片，而稍後德儀也推出TI MSP430 MCU，到2010年Microchip推出32位元的PIC32 MCU。

DSP部份，首推1976年德儀推出第一顆DSP—TMS5100，隨後1982年德儀推出uPD7720獨立 DSP晶片，隨後德儀TMS3201採用16位元固定浮點的哈佛架構的DSP設計，80年代末期DSP560015率先使用多重記憶體硬體加速技術；1990年代德儀推出雙ALU/MAC單元的TMS320C55x晶片，90年代末期提出VLIW指令集架構的TMS320C6x 晶片，到2000年代提出Blackfin結合 16/32位元MCU/DSP功能的混合晶片。

許丁堅指出MCU與DSP功能特性上互補，像MCU強調控制功能、哈佛程式碼？資料分離架構、低延遲即時效能與支援多種記憶體型態，但是採取通用型指令、暫存器為主且單指令單操作的特性；DSP則強調數值運算功能、同樣是哈佛架構、需要低延遲即時效能的設計、支援多種記憶體型態，但是以累加器為主，採多重指令多重操作、特定的指令集並採用全面性乘法器的架構設計。

過去MCU仍為8/16bit設計，跟DSP動輒32/64bit、VLIW/SIMD強調單指令多重操作的運算架構無法匹配，當MCU逐步邁向32位元時代，與DSP效能逐漸拉近，此時業界開始有MCU與DSP朝向聚合的聲浪。許丁堅認為各自分離獨立的MCU與DSP設計，優點在於可以各自沿用既有的設計，選擇最佳化的IP或零組件，但缺點則是MCU與DSP是不同指令？資料型態與運算模式，自然會有不同開發工具、開發環境與程式撰寫模式，同時必須在較慢的MCU與較快速的DSP之間搭配協調平均負載的邏輯電路晶片，附加成本與功耗，也延長了產品開發上市的時間。

MCU與DSP聚合的優點在於有共同的硬體？軟體開發工具，以單一編譯器產生緊湊有效率程式碼，達到高效能低耗能，同時使用共通的C/C++程式碼平台下，具備最大的應用程式基礎，同時可以因應成本縮減的衝擊，具備較高彈性支援廣範圍的設計應用並因應未來需求。他指出目前也已經有相當多的MCU工程師投入，以加速這種MCU/DSP的聚合效應。而MCU與DSP融合的唯一缺點，是目前產業似乎更關注於MCU即時運算處理，如何做得更好。

因應MCU與DSP聚合下的核心解決方案

許丁堅指出，microAptiv架構可說是是針對MCU與DSP各自的特點，所融合且最佳化的MCU架構。為了達成這樣的目的，microAptiv MCU核心架構上，從ALU算術邏輯單元、位元位移單元(Shifter)、乘法？除法單元(MDU)以及控制暫存器(Control Registers)都做過特別修改，整合了具備強大運算效能的DSP處理器功能。在MCU部份，具備5階段執行管線，10週期中斷延遲時間，32組32bit通用暫存器(GPRs)、microMIPS微指令集架構，提供SRAM快取選項，單一指令？單一操作的特性，以及簡化的記憶體定址；至於DSP功能部份，則採取專屬DSP執行管線的設計，具備8/16bit SIMD引擎，並且在多出來的159道DSP指令群中，有70道為SIMD指令群，38組乘法？累加乘法指令，具備單週期指令執行輸出率，以及支援最多達四個累加器的架構。

在64位元MIPS64核心具備MIPS 3D ASE與Multi-Threading ASE多線緒指令集，而32位元MIPS32則具備MIPS16e ASE、MIPS DSP ASE指令集架構。microMIPS核心架構就是採用源自於MIPS32核心的MIPS DSP ASE，以及MIPS MCU ASE指令模塊，提供了最低成本、最小矽晶片電路面積與最低功耗設計。 MIPS DSP ASE提供了DSP為主的指令集，支援8/16/32位元整數與浮點小數資料，以累加器或暫存器為運算目標，並涵蓋累乘累加(Multiply and Accumulate；MAC)指令，飽和運算或捨棄小數進位的選項。MCU以既有的ALU、MDU與位元位移器線路IP重複使用，並且設計專屬執行管線，核心內的指令可以平行化作業，強化的32x32乘除法單元(MDU)，包含四個64位元的累加器的設計；在DSP ASE指令集部份，則提供多達159道DSP專屬指令，涵蓋8、16、32位元資料運算元，從算術、資料變形、載入、分歧、餘數定址(Modulo Addressing Instructions)的操作模式。

以低晶片面積？成本 提供更高效能

microAptiv所具備的38個全面強化乘法(Multiply)指令集，可以單一執行週期輸出結果，從(32 x 32)、(16 x 16)，雙(16 x 16)、雙(16 x 8)到雙(8 x 8)資料運算元寬度的乘法組合，支援8/16位元不帶正負符號的整數與浮點數運算，同時橫跨所有micrpoAptive產品、飽和運算(Saturation)與位元防護(guard bits)。其SIMD指令集在設計上，可以單一指令進行兩道16位元或四個8位元整數？浮點數運算，飽和與進位選項，同時各自有專屬的MCU與DSP執行管線，不會影響指令平行化作業下效能，同時MIPS也提供DSP過濾(Filter)、變形(Transform)與向量(Vector)操作的程式碼函式庫，供軟體開發者應用。

許丁堅以實際測試數據長條圖，列舉出具備DSP ASE指令架構的microAptiv，與不具備DSP ASE的M14K處理器的實際效能差異。像是在16組向量暫存器進行的256位元傅立葉轉換(FFT16,256)運算，M14K花費1個指令週期，而microAptiv僅需0.6個指令週期；32組向量暫存器進行的256位元傅立葉轉換(FFT32,256)運算下，microAptiv只須0.8個指令週期；另外像FIR16(K=32)、IIR(B=8)、LMS(K=32)、16組向量乘法(VEC_MUL16)、32組向量乘法(VEC_MUL32)與H.264_IQT項目，microAptiv平均執行週期分別縮減成0.25、0.3、0.5、0.45、0.7與0.4個週期，加入DSP ASE指令架構，最高可以達成75%的指令週期縮減，使得執行效能平均提昇1.5~3.7倍不等。

MCU/DSP共通化的軟硬體開發工具

許丁堅指出，MIPS針對 microAptiv微控制器架構，提供了各個環節的硬體、軟體與評估的開發工具套件，像是藉由GNU軟體工具鏈、ELF與Linux版本的整合開發環境，提供SoC開發評估工程板SEAD3，結合第三方開發工具與軟硬體I智財電路？函式庫，搭配像是CASim、IASim等Simulators模擬軟體，以及除錯偵測裝置，如System Navigator、Navigator Console。

microAptiv微控制器，可以針對當紅的數位智能裝置(Digital Smart Client；DSC)市場，如標準嵌入式裝置的MCU應用、物聯網(Internet of Things；IoT)方面的應用，工業控制、智能電錶，行動裝置、無線網通裝置、門禁安全裝置，以及NAS、RAID、SSD、HDD等儲存裝置；至於在車用電子應用上，可以做為駕駛艙控制面板，汽車被動？主動式安全配備、動力總成(Powertrain)，以及資訊娛樂裝置(Infotainment)等設計應用。

他總結MCU與DSP的聚合浪潮下，結合兩個世界的最佳組合，提供高效能控制與數學運算處理，即時且確定性的行為模式下的控制，並連結數位與類比訊號的世界；兩大陣營的開發工具？供應鏈可以趨於同質共同化，同時融入單一指令集架構，充分利用現有的MCU和DSP軟體，具備彈性化、可擴充性，可以成為兼顧低成本與效能不妥協的優質解決方案。