探索CORDIC硬件加速：在STM32与CW32 MCU上实现高性价比嵌入式计算

在嵌入式开发中，单片机执行复杂数学函数计算，尤其是控制系统常用的三角函数，当存在精度要求时，开发者通常倾向于选择集成DSP模块的MCU或专用DSP芯片。然而，这类芯片通常采用更高等级的内核（如ARM Cortex-M4/M4F），导致成本上升。在许多应用场景中，开发者可能不得不为芯片上多余或无需的功能买单，或承受性能过剩带来的额外成本。

为解决这一问题，坐标旋转数字计算机算法应运而生。该算法在硬件层面实现了仅通过加减法和移位操作来完成三角函数计算，无需依赖乘除法。与DSP模块类似，CORDIC计算主要由硬件完成，几乎不占用CPU资源，从而允许MCU在较低工作频率下运行，或将释放的处理器周期用于执行其他任务。

图1：单位圆上的坐标旋转与三角函数关系示意图

那么，CORDIC模块的实际性能表现究竟如何？我们设计了一个实验进行验证：选取了四款不同定位的芯片进行对比测试，包括经典的ARM Cortex-M3内核STM32F103C8T6、性能更强的M4内核STM32F411CEU6、更新的M4F内核模数混合MCU STM32G431CBT6，以及国产厂商武汉芯源半导体最新推出的Cortex-M0+内核模数混合MCU CW32L012C8T6。

实验内容为：让每款芯片执行100万次sin30°和cos30°的计算，并统计运算时长。考虑到这些MCU在内核、性能与定位上的差异，我们进行了多条件测试，结果如下表所示：

图2：四款MCU在不同条件下执行100万次三角函数计算的耗时对比

从表中数据可以看出，STM32F103C8T6因不具备数学运算加速器，只能在72MHz主频下通过math.h库进行软件计算，耗时接近2分钟。而其他配备了硬件加速模块（CORDIC或DSP）的MCU，均将计算时间缩短至秒级甚至毫秒级。

测试结果表明，在主流MCU上，CORDIC的运算速度略低于专用DSP模块，例如CW32L012与M4/M4F内核芯片的耗时差距仅在微秒量级（平均到每次计算）。这一性能足以满足绝大多数应用对高精度计算的需求。

若仅对比CPU的纯软件计算能力，Cortex-M0+内核的CW32L012确实不如Cortex-M3内核的STM32F103。然而，CORDIC硬件模块的引入彻底改变了这一局面。

图3：CW32L012（CORDIC）与STM32F103（math.h）计算100万次三角函数耗时对比

值得注意的是，CORDIC的功能不仅限于三角函数计算。如下表所示，它还能加速平方根、取模、自然对数等多种运算。

图4：CW32L012芯片CORDIC模块与标准math库函数性能对比

此外，CW32L012除了集成CORDIC模块，还配备了扩展算术运算单元，进一步弥补了Cortex-M0+内核在除法、开方等运算上的固有劣势。

图5：扩展算术运算单元功能框图

在诸如FOC电机控制等应用中，采用Cortex-M0/M0+内核的芯片通常使用查表法或定点数计算进行三角函数变换，但这往往难以实现精确控制。要实现高精度控制，传统上仍需选择集成DSP模块的芯片。

图6：无刷直流电机FOC控制系统框图

CORDIC与Cortex-M0+内核的结合，为高精度FOC控制提供了极具性价比的新选择。这不仅适用于电机控制，在信号处理、计量、功率变换等对计算有要求的领域，也为产品升级或成本优化提供了新的可能性。考虑到Cortex-M0+内核芯片与其他高阶内核芯片之间存在数倍的价格差，其性价比优势尤为明显。

以下是测试所用四款芯片在立创商城的参考零售价：

图7：四款测试MCU型号及市场参考价格

在全球MCU市场竞争加剧与国产替代加速的背景下，嵌入式设备对核心芯片的性能、功耗及性价比提出了更高要求。

图8：CW32L012系列芯片实物图

图9：CW32L012C8T6与CW32L012C8U6型号参数对比表

高性能内核与丰富外设

CW32L012集成了主频高达96MHz的ARM Cortex-M0+内核，并具备以下外设资源：

• 存储资源：64KB Flash + 8KB SRAM。
• 高性能模拟外设：双12位ADC、双12位DAC、双轨到轨运算放大器、模拟比较器、电压检测器等。
• 丰富的定时器：包括高级控制定时器、通用定时器、基本定时器、低功耗定时器及霍尔传感器专用定时器等，非常适合电机控制等复杂时序应用。
• 通信接口：3路低功耗UART、3路SPI、2路I2C。
• 硬件加速器：4通道DMA、CRC计算单元、CORDIC、EAU，有效提升数据处理效率。
• GPIO：最多40个，扩展性强。

工业级可靠性与低功耗

CW32L012具备良好的抗干扰能力与宽范围工作条件：

• 工作温度：-40℃ ~ +85℃，工作电压：1.7V ~ 5.5V。
• ESD防护能力高达±8KV，适用于工业传感器、智能表计、户外设备等严苛环境。

对于关注硬件加速与嵌入式系统性价比的开发者而言，深入理解CORDIC这类硬件加速原理及其选型影响，是进行高效开发的关键。欢迎在云栈社区分享你在电机控制或信号处理项目中关于芯片选型与性能优化的实践经验。