許多業(yè)余愛(ài)好者、創(chuàng)客和DIY愛(ài)好者都使用Arduino微機(jī)開(kāi)發(fā)板來(lái)監(jiān)視和控制他們的項(xiàng)目。于是，越來(lái)越多的專業(yè)工程師也開(kāi)始將這些開(kāi)發(fā)板用作評(píng)估和原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以便加快開(kāi)發(fā)速度，降低集成電路（IC）、傳感器和外設(shè)評(píng)估方面的成本。如《使用Arduino BOB快速評(píng)估傳感器和外設(shè)》一文所述，這些工程師所在的團(tuán)隊(duì)可能比較精簡(jiǎn)，而且還深受產(chǎn)品上市時(shí)間（TTM） 日益縮短的制約。因此，他們必須承擔(dān)多個(gè)工程領(lǐng)域的工作，同時(shí)設(shè)法加快元器件評(píng)估并降低成本。

其中一種解決方案是將Arduino與傳感器和外設(shè)分線板 （BOB） 之類的開(kāi)源硬件及庫(kù)和示例程序之類的開(kāi)源軟件結(jié)合使用。盡管有多種Arduino開(kāi)發(fā)板可以滿足一系列的處理和存儲(chǔ)器要求，但是使用浮點(diǎn)運(yùn)算器 （FPU） 卻能更好地完成某些計(jì)算，從而避免減慢主處理器的速度。

在Arduino生態(tài)系統(tǒng)中，ShieldBuddy就已經(jīng)解決了這一問(wèn)題。 本文將介紹多種Arduino處理平臺(tái)選項(xiàng)，解釋為什么FPU功能對(duì)許多應(yīng)用都很重要，然后介紹ShieldBuddy，這款開(kāi)發(fā)板與Arduino開(kāi)發(fā)板采用類似的物理封裝，但具有三個(gè)獨(dú)立的200MHz 32位處理器內(nèi)核，并且每個(gè)內(nèi)核都有各自的FPU。此外，本文還將介紹該開(kāi)發(fā)板的編程模型，展示其基于Eclipse的編程環(huán)境及其對(duì)Arduino集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE） 的支持如何幫助DIY愛(ài)好者和設(shè)計(jì)人員快速入門。

適合新手和專業(yè)人士的Arduino

剛踏入Arduino領(lǐng)域的新手往往從Arduino Uno Rev3（圖1）入手，這款開(kāi)發(fā)板基于16MHz 8位ATmega328P微控制器。該開(kāi)發(fā)板只有32KB的閃存（程序），2KB的SRAM，14個(gè)數(shù)字輸入/輸出 （I/O） 引腳和6個(gè)模擬輸入引腳。其中6個(gè)數(shù)字引腳可以提供脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 輸出，必要時(shí)模擬引腳也可用作數(shù)字I/O引腳。

Arduino Uno Rev3的排針封裝是連接擴(kuò)展板這一龐大子板生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括14個(gè)數(shù)字I/O引腳、6個(gè)模擬輸入引腳，以及多個(gè)電源、接地和基準(zhǔn)源引腳。

繼Uno Rev3之后，許多用戶都轉(zhuǎn)用Arduino Mega 2560 Rev3開(kāi)發(fā)板（圖2）。這款開(kāi)發(fā)板基于16MHz 8位ATmega2560微控制器。該開(kāi)發(fā)板具有256KB的閃存和8KB的SRAM。此外，該板的排針?lè)庋b表明它與Uno支持相同的擴(kuò)展板，不過(guò)，Mega配有更多排針，因此具有54個(gè)數(shù)字I/O引腳和16個(gè)模擬輸入引腳。其中15個(gè)數(shù)字引腳可以提供PWM輸出；同樣，必要時(shí)模擬引腳也可用作數(shù)字I/O引腳。

除了受限于8位數(shù)據(jù)路徑和16MHz的時(shí)鐘頻率之外，Arduino Uno和Arduino Mega微控制器均不具備FPU，因而任何涉及浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算都會(huì)顯著減慢這些處理器的速度。

如果用戶想要更強(qiáng)的處理能力，則可以升級(jí)使用Arduino Due（圖3）。這款開(kāi)發(fā)板與Arduino Mega采用類似的物理封裝，但基于Atmel/Microchip Technology SAM3X8E的84MHz 32位Arm Cortex-M3處理器。該開(kāi)發(fā)板具有512KB的閃存、96KB SRAM、54個(gè)數(shù)字I/O引腳、12個(gè)模擬輸入引腳，以及2個(gè)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 驅(qū)動(dòng)的模擬輸出引腳。其中，只有12個(gè)數(shù)字引腳可以提供PWM輸出；同樣，必要時(shí)模擬引腳也可用作數(shù)字I/O引腳。不過(guò)，遺憾的是，與Arduino Uno和Mega一樣，Arduino Due的處理器也不具備FPU。

許多用戶（包括業(yè)余愛(ài)好者和專業(yè)人士）都喜歡Arduino Mega和Arduino Due開(kāi)發(fā)板具有較多的引腳。但是，即使是Arduino Due的84MHz 32位處理器可能也難以執(zhí)行某些計(jì)算密集型任務(wù)。同樣，對(duì)于需要處理大量數(shù)據(jù)的大型程序，Due配備的512KB的閃存和96KB的SRAM仍顯不足。

盡管如今的微控制器能處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，但是從提高效率和降低延遲方面考慮，使用FPU可以更好地完成某些計(jì)算。

什么是FPU？為什么需要它？

要討論FPU為何有用，首先要說(shuō)說(shuō)計(jì)算機(jī)處理數(shù)字的原理。在計(jì)算機(jī)中，最簡(jiǎn)單的數(shù)字表示法是整型（整數(shù)），而且使用整型數(shù)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)算成本較低。不過(guò)，整型數(shù)本質(zhì)上范圍有限，因而無(wú)法表示較大的動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于工程師和科學(xué)家而言，這是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗麄兂３Ｐ枰谕挥?jì)算中使用極大和極小的數(shù)值。例如，物理學(xué)家可能需要同時(shí)使用光速 （300，000，000） 和牛頓引力常數(shù)（0.00000000006674） 來(lái)進(jìn)行計(jì)算。同樣，在數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 等任務(wù)以及人工智能 （AI） 和機(jī)器學(xué)習(xí) （ML） 應(yīng)用中，工程師則要使用較大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)值。

在這種情況下，解決方案就是使用浮點(diǎn)數(shù)表示法，即小數(shù)點(diǎn)的位置可根據(jù)數(shù)值的各個(gè)數(shù)字“浮動(dòng)”，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)字“分辨率”。但問(wèn)題在于，盡管32位浮點(diǎn)數(shù)所占內(nèi)存與32位整型定點(diǎn)數(shù)相同，使用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算卻需要更多的計(jì)算資源。

如果處理器必須使用標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)硬件進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，那么必定會(huì)極大地影響該處理器的性能。在這種情況下，解決方案就是為處理器配備特殊的FPU，即可在很短的時(shí)鐘周期內(nèi)完成復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算。

這正是ShieldBuddy的用武之地。

ShieldBuddy為Arduino生態(tài)系統(tǒng)引入FPU和高性能

目前，一款相對(duì)較新的兼容Arduino的開(kāi)發(fā)板是Infineon Technologies的KITAURIXTC275ARDSBTOBO1，即ShieldBuddy（圖4）。這款嵌入式評(píng)估板主要面向Infineon的TC275T64F200WDCKXUMA1 TC275 AURIX TC2xx TriCore 32位微控制器。

ShieldBuddy與Arduino Mega和Arduino Due采用類似的物理封裝，可與許多應(yīng)用擴(kuò)展板兼容，但區(qū)別在于它配備的TC275具有三個(gè)獨(dú)立的200MHz 32位內(nèi)核，并且每個(gè)內(nèi)核都有各自的FPU。此外，ShieldBuddy具有4MB的閃存（分別是Arduino Due的8倍、Arduino Mega的16倍），以及500KB的RAM（分別是Arduino Due的5倍、Arduino Mega的62倍）。

有一點(diǎn)可明顯看出區(qū)別：Arduino Mega內(nèi)核每微秒 （μs） 只能處理約16條8位指令；相比之下，TC275每個(gè)內(nèi)核的周期時(shí)間為5ns，因而每個(gè)內(nèi)核每微秒通?？蓤?zhí)行約150至200條32位指令。由于ShieldBuddy的每個(gè)處理器內(nèi)核都有各自的FPU，因此該板進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，幾乎不會(huì)削弱性能。

使用ShieldBuddy進(jìn)行開(kāi)發(fā)

使用ShieldBuddy時(shí)，專業(yè)軟件開(kāi)發(fā)人員也許希望借助Eclipse IDE，而業(yè)余愛(ài)好者和創(chuàng)客可能更偏好使用為人熟知的Arduino IDE。該板可支持這兩個(gè)選項(xiàng)。

Arduino的用戶都很清楚，每個(gè)草圖（程序）必須具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)：setup（）（單次運(yùn)行）和loop（）（多次運(yùn)行）。除此之外，用戶還可以創(chuàng)建自己的函數(shù)。

ShieldBuddy的三個(gè)內(nèi)核分別稱作Core 0、Core1和Core 2。在使用Arduino IDE的情況下，大多數(shù)現(xiàn)有草圖都可以編譯，以便直接用于ShieldBuddy而無(wú)需修改。setup（）和loop（） 函數(shù)及其調(diào)用的所有用戶創(chuàng)建的函數(shù)經(jīng)編譯后，均默認(rèn)在Core0上運(yùn)行。

創(chuàng)建新程序時(shí)，用戶可將這些函數(shù)命名為setup0（） 和loop0（） 以達(dá)到相同的效果。另外，用戶也可以創(chuàng)建setup1（） 和loop1（） 函數(shù)。這些函數(shù)及其調(diào)用的所有用戶創(chuàng)建的函數(shù)經(jīng)編譯后，均會(huì)自動(dòng)在Core 1上運(yùn)行。同理，setup2（）和loop2（） 函數(shù)及其調(diào)用的所有用戶創(chuàng)建的函數(shù)經(jīng)編譯后，均會(huì)自動(dòng)在Core2上運(yùn)行。

默認(rèn)情況下，各個(gè)內(nèi)核獨(dú)立運(yùn)行，因此ShieldBuddy可以同時(shí)運(yùn)行三個(gè)完全獨(dú)立的程序。盡管如此，各內(nèi)核間也可使用共享存儲(chǔ)器等技術(shù)進(jìn)行通信。此外，每個(gè)內(nèi)核還都可以在其他內(nèi)核中觸發(fā)軟中斷。

結(jié)語(yǔ)

事實(shí)證明，Arduino的開(kāi)源理念取得了巨大的成功，隨之衍生的硬件和軟件生態(tài)系統(tǒng)也得以發(fā)展，包含了數(shù)百種擴(kuò)展板、數(shù)千個(gè)庫(kù)和應(yīng)用程序。

盡管早期的Arduino開(kāi)發(fā)板（例如16MHz 8位ArduinoUno和Arduino Mega）具有一定的局限性，但較新的產(chǎn)品（例如84MHz 32位Arduino Due）功能明顯就更強(qiáng)大。即便如此，許多用戶仍需要更多的程序存儲(chǔ)空間（閃存）、更多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（SRAM） 和更強(qiáng)的處理能力，而這些都絕非任何傳統(tǒng) Arduino 所能提供。

ShieldBuddy具有4MB的閃存、500KB的SRAM和三個(gè)獨(dú)立的200MHz 32位處理器內(nèi)核，而且每個(gè)內(nèi)核都有各自的FPU，將Arduino理念提升到一個(gè)全新的層次，因而追求極致的DIY愛(ài)好者和專業(yè)工程師都對(duì)它興趣濃厚。

編輯：金巧