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固定小数点ハードウェアを使用する利点

デジタル ハードウェアは、制御システムおよび信号処理フィルターを実装する主要な手段となりつつあります。デジタル ハードウェアは、市販のハードウェア (マイクロコントローラー、マイクロプロセッサ、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサなど) またはカスタム ハードウェアのいずれかとして分類できます。これら 2 つの種類のハードウェアには、多数のアーキテクチャ設計が含まれます。こうした設計の範囲は、単一命令、単一データ ストリーム処理装置のシステムから、複数命令、複数データ ストリーム処理装置を備えたシステムまでに及びます。

デジタル ハードウェア内では、数値は固定小数点または浮動小数点データ型として表します。これら両方のデータ型では、ワード サイズは特定のビット数に固定されています。ただし、固定小数点値の動的範囲は、同等のワード サイズの浮動小数点値をはるかに下回ります。したがって、オーバーフローまたは無効な量子化誤差を避けるためには、固定小数点値をスケーリングしなければなりません。浮動小数点プロセッサを使用すると、制御則またはデジタル フィルターのリアルタイムの実装を大きく簡易化できるため、浮動小数点数値は実際の数値を効果的に近似できます。では、固定小数点ハードウェア サポートにマイクロコントローラーやプロセッサを使用するのはなぜでしょう。

  • サイズと電力消費 — 固定小数点ハードウェアの論理回路は、浮動小数点ハードウェアの論理回路のような複雑さはありません。これは、浮動小数点ハードウェアと比べて固定小数点チップ サイズが小さく、電力消費も少ないことを意味します。たとえば、携帯電話の製品設計の目標の 1 つとして、可能な限りポータブル (小型で軽量) にするケースを考えます。今日のハイエンドの浮動小数点汎用プロセッサを使用した場合、大きい放熱板と電池も必要になり、高価なだけでなく、大型で重い携帯電話になります。

  • メモリ使用量と速度 — 一般的に、固定小数点計算では、実行に必要なメモリ量とプロセッサ時間が少なくて済みます。

  • コスト — 固定小数点ハードウェアはコスト効果が高く、価格/コストが重要視される場合に最適です。特に大量生産される製品でデジタル ハードウェアを使用すると、固定小数点ハードウェアのコストは、浮動小数点ハードウェアのコストをはるかに下回り、かなりの節約になります。

固定小数点ハードウェアを使用することを決定したら、次のステップは動的システム (制御システムまたはデジタル フィルター) を実装する方法を選択することです。浮動小数点ソフトウェア エミュレーション ライブラリは、タイミングやメモリ サイズの制約のために、通常は除外されます。したがって、バイナリ整数値をスケーリングする固定小数点数学が残されます。

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