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1、咱們先聊一個靈魂問題

咱們做電機控制時，最怕什么？不是算法不會寫，而是算得不夠快。

尤其在單軸伺服、磁編碼器、旋變這些場景里，角度解算是每個控制周期的“必修課”。最經(jīng)典一步就是把 (sin, cos) 或 (x, y) 算成 atan2，再喂給位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。

問題來了，假如沒有 FPU 怎么辦？

純軟件 atan2 常常慢得讓中斷服務(wù)程序壓力山大，20kHz 甚至 40kHz 一上來，時間預(yù)算直接告急。所以這次咱們不空談，直接看 G32R430 的做法，不用通用浮點硬剛，走 CDE 協(xié)處理器 + ATAN2 硬件加速。

這篇文章我們一起來看看這三件事：

為什么 atan2 在編碼器場景里是剛需？

G32R430 的 CDE + ATAN2 具體怎么干活？

實測周期到底差多少，值不值得咱們上車？

2、測試前提：先把口徑說清楚

在實驗開始前，先把實驗臺參數(shù)擺出來，避免后面各說各話，有想要復(fù)刻測試的朋友們可以參考這里~

芯片/內(nèi)核：G32R430（含 CDE，無 FPU/DSP/MVE）

SDK：G32R430 DDL SDKV1.0.2

（ATAN2例程路徑Examples/Board_G32R430_Tiny/ATAN2/ATAN2_Math/）

關(guān)鍵頭文件版本：Libraries/ATAN2/MathLib.h

示例工程版本：ATAN2_Math/Source/main.c

關(guān)鍵 API：int32_t ATAN2(int32_t nX, int32_t nY, int32_t nPrecisionLevel)

編譯配置：與官方一致，如-mcpu=cortex-m52+nomve+nofp+cdecp3

主頻/測量：示例工程系統(tǒng)時鐘120 MHz，使用DWT cycle counter

3、測試前提：先把口徑說清楚

旋變、磁編碼器常吐出 sinθ、cosθ 這對好兄弟，咱們要拿到角度，實際上還得看下面這個老朋友

θ = atan2(sinθ, cosθ)

在 FOC 鏈路里，這一步還是個常駐嘉賓。Clarke/Park、反變換這些環(huán)節(jié)都盯著當前電角度，atan2 基本常年在實時路徑加班。所以我們都知道，atan2 對于整體來說，并不是錦上添花，反倒是最重要的一環(huán)。它快不快、穩(wěn)不穩(wěn)，直接影響閉環(huán)是否絲滑。

4、G32R430 不求全能，但求對癥下藥

很多 MCU 是全家桶，但 G32R430 反而更像是個“偏科天才”：

不帶 FPU/DSP/MVE；

引入 CDE 協(xié)處理器；

重點照顧角度解算這類高頻定點任務(wù)。

這就意味著，G32R430是把晶體管預(yù)算花在咱們最常跑、最該快的路徑上。

5、CDE+ATAN2怎么用？接口不難，坑點要記住

SDK 接口如下：

/**

* [url=/u/brief]@brief[/url] Computes the angle of a point (nX, nY) on a two-dimensional plane in Q32 format.

* @param: nX X-axis coordinate

* @param: nY Y-axis coordinate

* @param: nPrecisionLevel Specifies the precision level from 1 to 8;

* higher precision increases accuracy but slows computation.

* Recommended values: 6, 7, 8

* [url=/u/return]@return[/url] The angle value in the range (-1, 1], Q31 format, corresponding to (-π, π].

*/

nX/nY：Q 格式定點輸入坐標；

nPrecisionLevel：1~8 檔，官方建議常用 6/7/8；

返回值：Q31，范圍對應(yīng) (-π, π]（接口文檔中寫作 (-1, 1] 歸一化表示）。

這里我重點提醒一個巨容易踩的坑：

標準數(shù)學庫是atan2(y, x)，SDK 接口是ATAN2(x, y, level)。（請注意是大寫哦）

示例代碼也是這個順序：x=cos(theta)、y=sin(theta)，調(diào)用 ATAN2(x, y, level)。這個順序?qū)懛矗嵌染涂赡堋叭诉€在家，坐標先飛了”。

6、工程落地：咱們讓關(guān)鍵代碼跑在ITCM

極海官方提供的.sct鏈接腳本把ATAN2 函數(shù)默認放到了 ITCM，目的是減少取指等待和周期抖動。程序啟動后從 Flash 拷到 ITCM，運行階段零等待取指。

所以即使你切“Flash 工程”或“ITCM/RAM 工程”，CDE 這段關(guān)鍵角度解算代碼依然在 ITCM 跑，花費的時間便是“穩(wěn)穩(wěn)的幸福~”。

7、實測數(shù)據(jù)如下，這波到底快了多少？

先補一句對照平臺說明，避免“拿不同選手硬比”，咱們這里引入的 G32R501，也是 Arm Cortex-M52 架構(gòu)平臺，但定位更偏“全功能性能型”：

雙核 Cortex-M52，主頻最高 250 MHz；

內(nèi)置自研紫電數(shù)學指令擴展單元；

支持 Arm Helium 技術(shù)；

支持單精度/雙精度 FPU；

支持 DSP。

一句話理解：G32R430 是專精取舍路線，G32R501 是功能更完整路線。所以這組圖和表主要用于看“工程實現(xiàn)路徑與周期數(shù)量級差異”。

下面開始看圖，這張是G32R430 平臺、Flash 工程、-O3 配置下的測試數(shù)據(jù)。

這張是G32R430 平臺、ITCM/RAM 工程、-O3 配置下的測試數(shù)據(jù)。

這張是G32R501 平臺、CBUS Flash 工程、-O3 配置（DP FPU路徑）下的測試數(shù)據(jù)。

這張是G32R501 平臺、ITCM/RAM 工程、-O3 配置（DP FPU路徑）下的測試數(shù)據(jù)。

來看看這次對比下的條件，基本控制在同一變量，咱們避免G32R430和G32R501是“蘋果橘子一起比”：

兩平臺均用各自官方示例工程，優(yōu)化等級按工程配置為 -O3；

周期統(tǒng)計統(tǒng)一看 DWT cycle；

G32R430 數(shù)據(jù)來源為 ATAN2(..., 6) + 軟件參考 atan2 對照；

跨平臺對比用于看數(shù)量級，不代表完全同軟件棧下的絕對橫評。

測試點：angle_param = PI/65536.0 * idx * 4.0，idx=-5~0。其中 G32R430 使用 ATAN2 精度檔位 6。

為了讓比較更直觀，我們把同一組數(shù)據(jù)畫成了相對倍數(shù)柱狀圖，以每個測試點的 G32R430 Flash CDE 為 1.0x 基準，其他路徑都按相對倍數(shù)計算。

G32R430 Flash CDE 全程是 1.0x（基準線）；

常規(guī)角度點（idx=-5~-1）里，G32R430 Flash ref 大約在 16x~19x，和 CDE 路徑差距非常直觀；

G32R430 ITCM CDE 基本貼近 1.0x，說明 CDE 路徑在不同工程放置下都很穩(wěn)；

idx=0 時，軟件路徑倍數(shù)明顯回落（快速路徑觸發(fā)）。

7.1、咱們怎么讀這組表

常規(guī)角度點（序號 1~5）里，G32R430 CDE 大約 299~321 cyc；

同平臺軟件參考 atan2 在 5k~6k cyc，差距是數(shù)量級的；

Flash CDE 和 ITCM CDE 接近，核心原因就是 ATAN2 關(guān)鍵路徑本來就在 ITCM；

idx=0 時軟件突然變快，通常是 atan2(0,1)=0 的快速路徑觸發(fā)；

對高頻中斷服務(wù)來說，我們更看重的是穩(wěn)定快，偶爾飛快反倒不是重點。

7.2、手冊寫80cycles，為什么上面的是300多的cycles？

咱們先回到上面的對比表，會發(fā)現(xiàn) G32R430 Flash CDE/G32R430 ITCM CDE 大多是落在 300+ cycles。很多讀者看到這里會問：手冊寫 80 cycles，怎么實測會到 300+？

這時候我們就需要把統(tǒng)計的口徑拆開來看，先看手冊（TMU/ATAN 指令說明），它給的是指令級口徑：

接著，我們單獨做一次單次 ATAN2 調(diào)用測試，盡量壓縮外圍流程，看看函數(shù)級口徑。

單次測量代碼（ATAN2_Math/Source/main.c）：

SECTION_DTCM_DATA uint32_t single_atan2_cycles = 0U;

SECTION_DTCM_DATA int32_t single_theta_q31 = 0;

SECTION_DTCM_DATA int32_t single_x_q30 = double_to_q30(0.8660254037844386); /* cos(30deg) */

SECTION_DTCM_DATA int32_t single_y_q30 = double_to_q30(0.5); /* sin(30deg) */

/**

* @brief Standalone benchmark for one ATAN2 execution.

*

* @param None

*

* @retval None

*/

void RunSingleAtan2Benchmark(void)

{

GET_DWT_CYCLE_COUNT(single_atan2_cycles,

single_theta_q31 = ATAN2(single_x_q30, single_y_q30, 8);

);

printf("Single ATAN2 benchmark: ");

printf(" Input (Q30): x=%d, y=%d ", single_x_q30, single_y_q30);

printf(" Output (Q31 norm): %.10f ", q31_to_double(single_theta_q31));

printf(" ATAN2 cycles: %lu ", (unsigned long)single_atan2_cycles);

}

串口輸出如下：

這時就能把三個數(shù)字串起來了：

手冊口徑（指令級）：80 cycles，對應(yīng) TMU ATANOP32 指令說明；

單測口徑（函數(shù)級）：約 51 cycles，對應(yīng)一次 ATAN2(...) 的最小調(diào)用路徑；

表格口徑（示例對齊級）：約 300+ cycles，這是示例里為與軟件參考結(jié)果對齊而做的整套計算路徑，包含參數(shù)準備、測量宏開銷以及結(jié)果換算（例如 q31_to_double）等步驟。

所以看完上面這三串數(shù)字，我們可以得知 “80 / 51 / 300+ cycles” 在本質(zhì)上并不沖突，反而是代表著三個不一樣的視角

手冊告訴我們硬件指令大概多快；

單測告訴我們函數(shù)本體大概多快；

表格告訴我們示例對齊比較時的整鏈路大概多快。

做本體性能判斷看函數(shù)級，做指令上限判斷看指令級；示例對齊數(shù)據(jù)用于橫向比較更合適。

8、精度檔位怎么挑：先6，再7/8

nPrecisionLevel 可調(diào) 1~8，因此咱們在實操上建議如下：

先從 6 檔起步（速度和精度通常更均衡）；

誤差預(yù)算更緊時，再試 7/8；

每升一檔會有額外開銷，建議結(jié)合編碼器分辨率和環(huán)路帶寬做閉環(huán)驗證。

總結(jié)下來，就是先把實時性保住，再慢慢榨精度。

9、最后咱們最后記住三件事

這次實測我認為最關(guān)鍵的結(jié)論有三條

G32R430 用專用硬件路徑替代通用浮點大件

定點 + CDE 能把 atan2 壓到約 300 cycles 量級

在高頻控制環(huán)里，能同時拿到實時性、確定性和功耗收益

對編碼器和單軸伺服場景來說，這種思路很對路，沒有 FPU，也能把角度算得又快又穩(wěn)。

10、參考

G32R430_DDL_SDK_V1.0.2/Libraries/ATAN2/MathLib.h

G32R430_DDL_SDK_V1.0.2/Examples/Board_G32R430_Tiny/ATAN2/ATAN2_Math/

注：文章作者在原帖中提供了代碼文件，有需要請至原文21ic論壇

原文地址：https://bbs.21ic.com/icview-3509559-1-1.html?_dsign=864041ab