許多業余愛好者、創客和DIY愛好者都使用Arduino微機開發板來監視和控制他們的項目。于是，越來越多的專業工程師也開始將這些開發板用作評估和原型開發平臺，以便加快開發速度，降低集成電路（IC）、傳感器和外設評估方面的成本。如《使用Arduino BOB快速評估傳感器和外設》一文所述，這些工程師所在的團隊可能比較精簡，而且還深受產品上市時間（TTM） 日益縮短的制約。因此，他們必須承擔多個工程領域的工作，同時設法加快元器件評估并降低成本。

其中一種解決方案是將Arduino與傳感器和外設分線板 （BOB） 之類的開源硬件及庫和示例程序之類的開源軟件結合使用。盡管有多種Arduino開發板可以滿足一系列的處理和存儲器要求，但是使用浮點運算器 （FPU） 卻能更好地完成某些計算，從而避免減慢主處理器的速度。

在Arduino生態系統中，ShieldBuddy就已經解決了這一問題。 本文將介紹多種Arduino處理平臺選項，解釋為什么FPU功能對許多應用都很重要，然后介紹ShieldBuddy，這款開發板與Arduino開發板采用類似的物理封裝，但具有三個獨立的200MHz 32位處理器內核，并且每個內核都有各自的FPU。此外，本文還將介紹該開發板的編程模型，展示其基于Eclipse的編程環境及其對Arduino集成開發環境 （IDE） 的支持如何幫助DIY愛好者和設計人員快速入門。

適合新手和專業人士的Arduino

剛踏入Arduino領域的新手往往從Arduino Uno Rev3（圖1）入手，這款開發板基于16MHz 8位ATmega328P微控制器。該開發板只有32KB的閃存（程序），2KB的SRAM，14個數字輸入/輸出 （I/O） 引腳和6個模擬輸入引腳。其中6個數字引腳可以提供脈沖寬度調制 （PWM） 輸出，必要時模擬引腳也可用作數字I/O引腳。

Arduino Uno Rev3的排針封裝是連接擴展板這一龐大子板生態系統的基礎，包括14個數字I/O引腳、6個模擬輸入引腳，以及多個電源、接地和基準源引腳。

繼Uno Rev3之后，許多用戶都轉用Arduino Mega 2560 Rev3開發板（圖2）。這款開發板基于16MHz 8位ATmega2560微控制器。該開發板具有256KB的閃存和8KB的SRAM。此外，該板的排針封裝表明它與Uno支持相同的擴展板，不過，Mega配有更多排針，因此具有54個數字I/O引腳和16個模擬輸入引腳。其中15個數字引腳可以提供PWM輸出；同樣，必要時模擬引腳也可用作數字I/O引腳。

除了受限于8位數據路徑和16MHz的時鐘頻率之外，Arduino Uno和Arduino Mega微控制器均不具備FPU，因而任何涉及浮點數的計算都會顯著減慢這些處理器的速度。

如果用戶想要更強的處理能力，則可以升級使用Arduino Due（圖3）。這款開發板與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。該開發板具有512KB的閃存、96KB SRAM、54個數字I/O引腳、12個模擬輸入引腳，以及2個由數模轉換器（DAC） 驅動的模擬輸出引腳。其中，只有12個數字引腳可以提供PWM輸出；同樣，必要時模擬引腳也可用作數字I/O引腳。不過，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（包括業余愛好者和專業人士）都喜歡Arduino Mega和Arduino Due開發板具有較多的引腳。但是，即使是Arduino Due的84MHz 32位處理器可能也難以執行某些計算密集型任務。同樣，對于需要處理大量數據的大型程序，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據量越來越大，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算。

什么是FPU？為什么需要它？

要討論FPU為何有用，首先要說說計算機處理數字的原理。在計算機中，最簡單的數字表示法是整型（整數），而且使用整型數進行計算，運算成本較低。不過，整型數本質上范圍有限，因而無法表示較大的動態范圍。

對于工程師和科學家而言，這是個問題，因為他們常常需要在同一計算中使用極大和極小的數值。例如，物理學家可能需要同時使用光速 （300，000，000） 和牛頓引力常數（0.00000000006674） 來進行計算。同樣，在數字信號處理 （DSP） 等任務以及人工智能 （AI） 和機器學習 （ML） 應用中，工程師則要使用較大動態范圍的數值。

在這種情況下，解決方案就是使用浮點數表示法，即小數點的位置可根據數值的各個數字“浮動”，從而實現更高的數字“分辨率”。但問題在于，盡管32位浮點數所占內存與32位整型定點數相同，使用浮點數進行計算卻需要更多的計算資源。

如果處理器必須使用標準定點硬件進行浮點運算，那么必定會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，即可在很短的時鐘周期內完成復雜的浮點運算。

這正是ShieldBuddy的用武之地。

ShieldBuddy為Arduino生態系統引入FPU和高性能

目前，一款相對較新的兼容Arduino的開發板是Infineon Technologies的KITAURIXTC275ARDSBTOBO1，即ShieldBuddy（圖4）。這款嵌入式評估板主要面向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，可與許多應用擴展板兼容，但區別在于它配備的TC275具有三個獨立的200MHz 32位內核，并且每個內核都有各自的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）。

有一點可明顯看出區別：Arduino Mega內核每微秒 （μs） 只能處理約16條8位指令；相比之下，TC275每個內核的周期時間為5ns，因而每個內核每微秒通常可執行約150至200條32位指令。由于ShieldBuddy的每個處理器內核都有各自的FPU，因此該板進行浮點運算時，幾乎不會削弱性能。

使用ShieldBuddy進行開發

使用ShieldBuddy時，專業軟件開發人員也許希望借助Eclipse IDE，而業余愛好者和創客可能更偏好使用為人熟知的Arduino IDE。該板可支持這兩個選項。

Arduino的用戶都很清楚，每個草圖（程序）必須具有兩個標準函數：setup（）（單次運行）和loop（）（多次運行）。除此之外，用戶還可以創建自己的函數。

ShieldBuddy的三個內核分別稱作Core 0、Core1和Core 2。在使用Arduino IDE的情況下，大多數現有草圖都可以編譯，以便直接用于ShieldBuddy而無需修改。setup（）和loop（） 函數及其調用的所有用戶創建的函數經編譯后，均默認在Core0上運行。

創建新程序時，用戶可將這些函數命名為setup0（） 和loop0（） 以達到相同的效果。另外，用戶也可以創建setup1（） 和loop1（） 函數。這些函數及其調用的所有用戶創建的函數經編譯后，均會自動在Core 1上運行。同理，setup2（）和loop2（） 函數及其調用的所有用戶創建的函數經編譯后，均會自動在Core2上運行。

默認情況下，各個內核獨立運行，因此ShieldBuddy可以同時運行三個完全獨立的程序。盡管如此，各內核間也可使用共享存儲器等技術進行通信。此外，每個內核還都可以在其他內核中觸發軟中斷。

結語

事實證明，Arduino的開源理念取得了巨大的成功，隨之衍生的硬件和軟件生態系統也得以發展，包含了數百種擴展板、數千個庫和應用程序。

盡管早期的Arduino開發板（例如16MHz 8位ArduinoUno和Arduino Mega）具有一定的局限性，但較新的產品（例如84MHz 32位Arduino Due）功能明顯就更強大。即便如此，許多用戶仍需要更多的程序存儲空間（閃存）、更多的數據存儲空間（SRAM） 和更強的處理能力，而這些都絕非任何傳統 Arduino 所能提供。

ShieldBuddy具有4MB的閃存、500KB的SRAM和三個獨立的200MHz 32位處理器內核，而且每個內核都有各自的FPU，將Arduino理念提升到一個全新的層次，因而追求極致的DIY愛好者和專業工程師都對它興趣濃厚。

編輯：金巧