強化MCU浮點運算功能

雖然編譯器和組譯器（Assembler）可以產生嚴謹的整數算術代碼，但浮點運算可能需要耗用大量記憶體的代碼資料庫，以進行模擬算術運算。所以，需要計算三角函數值或指數值時，可能就要安裝一個小型MCU。

近來，工程師已能用硬體實現算術運算。在70年代中期，我曾將一顆德州儀器公司的TMS0117二進位碼十進位運算晶片與一個微處理器系統作連接，用於四功能的數學運算。雖然有點拼湊的味道，但這個電路確實能工作。在80年代，IBM個人電腦主機板上便開始內建算術輔助運算器晶片（Intel 8087）的插槽。

較新的16位元和32位元處理器都具有內置運算能力，具有足夠的空間作儲存或運算，幫助完成浮點算術運算。當然，微控制器仍然要忍受記憶體稀少之苦，限制了算術能力。要知道每個浮點數值需佔用32位元。（假定符合IEEE 754規定。） MCU開發者不必放棄希望，現在可考慮增加最新的外接算術晶片。Micromega公司（www.micromegacorp.com）提供一種8接腳的浮點算術晶片μM-FPU V2，可以透過SPI或I2C埠連接到主處理器。該晶片價格為15美元，這對算術浮點運算來說是極具競爭力的價格（該晶片亦可執行長效整數運算）。

V2晶片本身是8位元處理器，可完成四功能算術運算，產生三角函數和指數值，提供邏輯運算，以及完成很多其他工作。十五個整型寄存器用於保存臨時值或常量。（預裝常量保存計算時間，晶片中有常數0、1、e和D。）轉換功能可以用於測試和監控內部的運算。

Micromega總裁Cam Thompson表式，該公司將於近期推出一款新型μM-FPU V3晶片。該晶片具有128個寄存器，可以在EPROM中保存256個值。開發人員能使用比V2更多的運算功能，晶片提供38種內置的單位轉換，如英里轉公里，還有19個科學與工程常數。Thompson表示，V3的性能是較早V2晶片的十倍，能承擔高速處理器的算術運算工作。

按Thompson的說法，很多開發人員都用該晶片將感測器資料轉換成有用的數值。例如，用Steinhart-Hart方程作熱電偶資料的線性化時要用到指數項和自然對數。客戶還可以用Micromega晶片處理GPS資料。

由於晶片可使用多達64個用戶定義的函數，開發人員可以設定一些自動完成複雜計算的命令。Thompson指出：“使用者不必連續地收發資訊，當得到數值並處理下一個計算時才提供該值。中間結果保存在晶片中，直到需要答案為止。”

Thompson給了我一片V2晶片，我將其連接到教學麵包板上的Parallax BASIC Stamp BS2p24模組上，這是我最喜歡用的實驗系統（圖1）。Micromega網站提供了豐富的檔案，包括設置說明、邏輯圖，以及用於BASIC Stamp模組的測試程式。我手邊沒有建議使用的外接溫度感測器，於是簡單地在代碼中預置了一個測試值。該晶片正確地將9位元攝氏溫度值轉換成華氏溫度。在此例中，我使用了SPI介面，並用BASIC Stamp的SHIFTOUT和SHIFTIN命令作串列通訊。


圖1：μM-FPU V2晶片可以透過Parallax公司（www.parallax.com）的麵包板，連接到BASIC Stamp模組上。此電路使用了雙線SPI介面，但晶片亦提供I2C和三線介面。

V2晶片用一個1位元組或2位元組的運算碼表明正在進行的工作。例如，除法FDIV(9x)完成A = A/B運算。要預先指定A寄存器，並用9x碼中的四個LSB指定B寄存器。將A寄存器看作容納結果的累加器，而B寄存器則作為運算元的來源。可以任意將15個可用寄存器設為A和B寄存器。

熟悉A和B寄存器的命名要花一些時間，但透過一些實例就可以掌握要領。對於非浮點方面的行家，Micromega還提供工具軟體，可以在十六進位和浮點表述之間作相互轉換。此外，還可以下載IDE，用於輸入方程，並產生μM-FPU V2運算碼，以及各種微控制器指令。

該晶片還有具有另一個令人驚喜的功能，可以在數值與ASCII字串之間回來轉換。例如，ATOF命令用於將一串字元轉換成浮點值。我用了下面這個指令集：X180, ATOF, "180.0", 0, FSET，將浮點值180.0放到稱為X180的寄存器（並預先定義到內部寄存器3）中。（Parallax BASIC編譯器會將命令串轉換為十六進位值。）以類似方式，可以將結果以ASCII碼格式移出到自己的MCU。還可以讀出浮點值或長整型值。

備註：在www.ecnmag.com上可以找到內文提及的簡單測試程式；點選“Current Issue”（或2006年8月1日的檔案文章），透過連結即可找到本文。