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Les avantages du hardware à virgule fixe

Le hardware numérique est en train de devenir le premier moyen d’implémentation des systèmes de contrôle et des filtres de traitement du signal. On peut distinguer deux types de hardware numérique : le hardware prêt à l’emploi (par exemple les microcontrôleurs, les microprocesseurs, les processeurs universels et les processeurs de signaux numériques) et le hardware sur mesure. Chaque type de hardware recouvre de nombreux designs architecturaux. Ces designs vont de systèmes avec une unité de traitement à une seule instruction et un seul flux de données à des systèmes avec plusieurs unités de traitement à instructions et flux de données multiples.

Dans le cas du hardware numérique, les nombres sont représentés comme des types de données à virgule fixe ou à virgule flottante. Pour ces deux types de données, la taille des mots est fixée à un certain nombre de bits. Toutefois, la plage dynamique des valeurs à virgule fixe est bien inférieure à celle des valeurs à virgule flottante à taille de mot équivalente. Pour éviter un overflow ou des erreurs de quantification excessives, il faut donc mettre à l’échelle les valeurs à virgule fixe. Comme les processeurs à virgule flottante peuvent fortement simplifier l’implémentation temps réel d’une loi de contrôle ou d’un filtre numérique, et que les nombres à virgule flottante peuvent efficacement approximer les nombres du monde réel, pourquoi utiliser un micro-contrôleur ou un processeur avec un support hardware à virgule fixe ?

  • Taille et consommation d’énergie — Les circuits logiques d’un hardware à virgule fixe sont beaucoup moins compliqués que ceux d’un hardware à virgule flottante. Cela signifie que les puces d’un hardware à virgule fixe ont une taille inférieure à celle des puces d’un hardware à virgule flottante, ce qui se traduit par une consommation d’énergie inférieure. Prenons par exemple le cas d’un téléphone mobile. L’un des objectifs de son design est qu’il soit aussi « portable » (petit et léger) que possible. Si on utilise l’un des processeurs universels haut de gamme à virgule flottante d’aujourd’hui, il faudra également prévoir un dissipateur thermique et une batterie de grande taille, d’où un téléphone portable coûteux, grand et lourd.

  • Utilisation de mémoire et vitesse — L’exécution des calculs à virgule fixe nécessite généralement moins de mémoire et moins de temps de traitement.

  • Coût — Le hardware à virgule fixe est plus rentable, un avantage lorsque le rapport prix/coût est un facteur important. Lorsque du hardware numérique est utilisé dans un produit, notamment fabriqué en masse, le hardware à virgule fixe peut entraîner des économies significatives grâce à ses coûts bien inférieurs à ceux du hardware à virgule flottante.

Une fois que l’on a décidé d’utiliser un hardware à virgule fixe, il faut choisir une méthode pour implémenter le système dynamique (par exemple, système de contrôle ou filtre numérique). Les bibliothèques d’émulation de softwares à virgule flottante sont généralement exclues en raison de contraintes de temps ou de taille de mémoire. Il vous reste donc les maths à virgule fixe, où les valeurs entières binaires sont mises à l’échelle.