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8位或32位，MCU該怎么選？
該如何對8位元以及32位元的MCU進行選擇？8位元和32位元MCU在功能上仍是互為輔助、各有千秋，這其中的訣竅就在于，需先了解什么樣的應用適合什么樣的MCU架構。 本文對比了8位元MCU和32位元MCU的使用案例，也可作為如何選擇這兩種MCU架構的指南使用。本文中大部分32位元MCU的范例將關注ARM Cortex-M，Cortex-M在不同MCU供應商產(chǎn)品組合中表現(xiàn)得非常相似。鑒于8位元MCU有很多種架構，所以很難對8位元供應商產(chǎn)品進行類似的比較。為了便于進行比較，我們將使用廣泛應用、易于理解的8051 架構，該架構深受嵌入式開發(fā)人員的青睞。 8位元和32位元MCU該如何選擇？ 有時，當我對比人們所熟知的事物（例如ARM和8051）時，感覺就像在物聯(lián)網(wǎng)論壇上發(fā)出「《星際爭霸戰(zhàn)》比《星際大戰(zhàn)》好看」的帖子一樣，很快就能火起來。 事實上，ARM Cortex和8051哪個更好并不是個邏輯問題，就像是在問：吉他和鋼琴哪個更好？真正要解決的問題應是哪種MCU能幫我更好地解決當下面臨的問題。不同的任務需要使用不同的工具，我們的目的是要了解「如何才能更好地運用我們所擁有的工具」，包括8位元和32位元MCU。幾乎可以肯定地說，那些簡單回答「ARM更好」或「8051更好」的人各有其目的，他們也許正在試圖銷售某種產(chǎn)品。 對不同的設備進行比較，需要對其進行測量。有很多構建工具可供選擇，我們盡量選擇一些場景，我認為其能夠進行最公平的比較，且最能代表開發(fā)人員的真實體驗。 并非所有的MCU都是一樣的 在開始對架構進行比較之前，要注意到并非所有生產(chǎn)的MCU都是一樣的，這一點非常重要。如果將基于ARM CortexM0+處理器的現(xiàn)代MCU與30年前的8051 MCU進行對比，8051 MCU在性能對比上不會勝出。幸運的是，依然有許多供應商一直在對8位元處理器持續(xù)投資。在許多應用中，8位元內(nèi)核能依然能夠彌補M0+或M3內(nèi)核不利的地方，甚至在一些方面性能更佳。 開發(fā)工具也很重要�，F(xiàn)代嵌入式韌體開發(fā)需要全功能IDE、現(xiàn)成的韌體庫、豐富的范例、完整的評估和入門套件以及助手應用以簡化硬體設定、庫管理和量產(chǎn)程式設計之類的工作。當MCU有了現(xiàn)代化的8位元內(nèi)核和開發(fā)環(huán)境后，在很多情況下，這樣的MCU將超越基于ARM Cortex的類似MCU。 系統(tǒng)規(guī)模 一般性原則是，ARM CortexM內(nèi)核更適用于較大的系統(tǒng)規(guī)模，而8051設備適用于較小的系統(tǒng)規(guī)模。中等規(guī)模的系統(tǒng)可以選擇兩種方式，這取決于系統(tǒng)要執(zhí)行的任務。有必要注意一點，在大多數(shù)情況下，外設組合將會發(fā)揮重要的作用。如果需要3個UART、1個LCD控制器、4個時鐘和2個ADC，你可能并不會在8位元MCU上找到所有這些外設。 易用性vs.成本和尺寸 對于中等規(guī)模的系統(tǒng)來說，使用任何一種架構都可以完成工作，需要權衡的是選擇ARM內(nèi)核帶來的易用性，還是8051設備帶來的成本和物理尺寸優(yōu)勢。ARM Cortex-M架構具有統(tǒng)一的存儲映射模式，并且在所有常見編譯器中支持完整的C99，這使得這種架構非常易于寫韌體。此外，還可得到一系列庫和協(xié)力廠商代碼。當然，這種易用性的代價就是成本。對于高復雜性、上市時間較短的應用或缺乏經(jīng)驗的韌體開發(fā)人員來說，易用性是個重要因素。 盡管8位元與32位元組件相比有些成本上的優(yōu)勢，但真正的區(qū)別就在于成本級別。大家經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)具有2 KB/512 B（Flash/RAM）的小容量8位元器件，而卻很少見低于8 KB/2 KB的32位元器件。在不需要很多資源的系統(tǒng)中，該范圍的存儲容量能夠讓系統(tǒng)開發(fā)人員獲得顯著降低成本的解決方案。因此，對成本極為敏感或僅需較小存儲容量的應用會更傾向于選擇8051解決方案。 通常，8位元器件也具有物理尺寸上的優(yōu)勢。例如，某些MCU的32位QFN封裝為4 mm×4 mm，而基于8051的8位器件的QFN封裝可小至2 mm×2 mm。芯片級封裝（CSP）的8位元和32位元架構之間的差異較小，但卻使成本增加，且組裝較難。對于空間嚴格受限的應用來說，通常需要選擇8051 MCU來滿足限制要求。 通用代碼和RAM效率 8051 MCU成本較低的主要原因之一是，它通常比ARM Cortex-M內(nèi)核更高效地使用Flash和RAM，這允許系統(tǒng)采用更少資源實現(xiàn)。系統(tǒng)越大，這種影響就越小。 但這種8位元存儲資源的優(yōu)勢并不總是如此，在某些情況下，ARM內(nèi)核會像8051內(nèi)核一樣高效或比其更高效。例如：32位元運算僅需要一條ARM設備指令，而在8051 MCU上則需要多條8位元指令。顯然，這種代碼在ARM架構上有更高的執(zhí)行效率。 ARM架構在Flash/RAM尺寸較小時的兩個主要缺點是：代碼空間效率和RAM使用的可預測性。首要也是最明顯的問題是通用代碼空間效率。8051內(nèi)核使用1位元組、2位元組或3位元組指令，而ARM內(nèi)核使用2位元組或4位元組指令。通常情況下，8051指令更小，但這一優(yōu)勢因?qū)嶋H上花費許多時間而受到削弱，ARM內(nèi)核比8051在一條指令下能做更多工作，32位元運算就是這樣一個范例。實踐起來，指令寬度是能在8051上產(chǎn)生適度的更密集代碼。 代碼空間效率 在含有分散式訪問變數(shù)的系統(tǒng)中，ARM架構的載入/存儲架構通常比指令寬度更為重要。試想訊號量的實現(xiàn)，一個變數(shù)需要在代碼周圍的多個不同位置進行減量（分配）或者增量（釋放）。ARM內(nèi)核必須將變數(shù)載入到寄存器，對其進行操作并重新存儲，這需要3條指令。另一方面，8051內(nèi)核可以直接在記憶體位置上進行操作，且僅需1條指令。隨著每次對變數(shù)完成工作量的增大，由于載入/存儲而產(chǎn)生的消耗就變得微不足道。但對于每次僅完成一點工作的情況來說，載入/存儲能產(chǎn)生重要影響，讓8051獲得明顯的效率優(yōu)勢。 盡管訊號量在嵌入式軟體中并非常見，但簡單的計數(shù)器和標志訊號量卻廣泛應用于控制導向的應用中并起著相同的作用。許多常見的MCU代碼都屬于這一類型。 另一個原因是，ARM處理器比8051內(nèi)核擁有更多的自由使用�？臻g。通常情況下，8051設備針對每次函式呼叫僅在棧上存儲返回位址（2位元組），通常通過分配給棧的靜態(tài)變數(shù)處理大量的任務。 在某些情況下，這會產(chǎn)生問題，因為這會造成函數(shù)預設不可重入。然而，這也意味著必須保留的�？臻g很小，且完全可預測，這在RAM容量有限的MCU中至關重要。 圖一: 不同的任務需要使用不同的工具，我們的目的是要了解「如何才能更好地運用我們所擁有的工具」，包括8位元和32位元MCU。(Source：Yola) 架構細節(jié) 現(xiàn)在，我們來說基本情景。假設有基于ARM和基于8051的MCU各一個，配有所需的外設，那么對于較大的系統(tǒng)或需要重點考慮易用性的應用來說，ARM設備是更好的選擇。如果首要考慮的是低成本/小尺寸，那么8051設備將是更好的選擇。下面我們對于每種架構更擅長的應用進行更詳細的分析，同時也劃分出一般原則。 (1) 延時 兩種架構的中斷和函式呼叫延時存在很大差異，8051比ARM Cortex-M內(nèi)核更快。此外，高級外設匯流排（APB）配備的外設也會影響延時，這是因為資料必須通過APB和AMBA高性能匯流排（AHB）傳輸。最后，當使用高頻內(nèi)核時鐘時，許多基于Cortex-M的MCU需要分配APB時鐘，這也增加了外設延時。 我做了1個簡單的實驗，實驗中的中斷是通過I/O引腳觸發(fā)的。該中斷對引腳發(fā)出一些信號，并根據(jù)引發(fā)中斷的引腳更新標志。然后我測量了一些參數(shù)顯示了32位元的實現(xiàn)。 簡單說明這個實驗結果，8051內(nèi)核在中斷服務程式（ISR）進入和退出時顯示出優(yōu)勢。但是，隨著中斷服務程式（ISR）越來越大和執(zhí)行時間的增加，這些延遲將變得微不足道。和已有原則一致，系統(tǒng)越大，8051的優(yōu)勢越小。此外，如果中斷服務程式（ISR）涉及到大量資料移轉(zhuǎn)或大于8位元的整數(shù)資料運算，中斷服務程式（ISR）執(zhí)行時間的優(yōu)勢將轉(zhuǎn)向ARM內(nèi)核。例如，一個采用新樣本更新16位元或32位移動平均的ADC ISR可能在ARM設備上執(zhí)行得更快。 (2) 控制vs處理 8051內(nèi)核的基本功能是控制代碼，其中對于變數(shù)的訪問是分散的，并且使用了許多控制邏輯（if、case等）。8051內(nèi)核在處理8位元資料時也是非常有效的，而ARM Cortex-M內(nèi)核擅長資料處理和32位元運算。此外，32位元資料通道使得ARM MCU復制大包的資料更加有效，因為它每次可以移動4個位元組，而8051每次僅能夠移動1個位元組。因此，那些主要把資料從一個地方移動到另一個地方（例如UART到CRC或者到USB）的流資料處理的應用更適合選擇基于ARM處理器的系統(tǒng)。 這并不意味著有大量資料移動或32位元運算的應用不應該選擇8051內(nèi)核完成。在許多情況下，其他方面的考慮將超過ARM內(nèi)核的效率優(yōu)勢，或者說這種優(yōu)勢是不相關的�？紤]使用UART到SPI橋接器，該應用花費大部分時間在外設之間復制資料，而ARM內(nèi)核會更高效地完成該任務。 然而，這也是一個非常小的應用，可能小到足以放入一個僅有2 KB存儲容量的器件就足夠合適。盡管8051內(nèi)核效率較低，但它仍然有足夠的處理能力去處理該應用中的高資料速率。對于ARM設備來說，可用的額外周期可能處于空閑回圈或「WFI」（等待中斷），等待下一個可用的資料片到來。在這種情況下，8051內(nèi)核仍然最有意義，因為額外的CPU周期是微不足道的，而較小的Flash封裝會節(jié)約成本。如果我們要利用額外的周期去做些有意義的工作，那么額外的效率將是至關重要的，且效率越高可能越有利于ARM內(nèi)核。這個例子說明，清楚被開發(fā)系統(tǒng)所關注的環(huán)境中的各種架構優(yōu)勢是何等重要。做出這個最佳的決定是簡單但卻重要的一步。 (3) 指針 8051設備沒有像ARM設備那樣的統(tǒng)一的存儲映射，而是對存取碼（Flash）、IDATA（內(nèi)部RAM）和XDATA（外部RAM）有不同的指令。為了生成高效的代碼，8051代碼的指標會說明它指向什么空間。然而，在某些情況下，使用通用指標可以指向任何空間，但是這種類型的指標是低效的訪問。例如，將指標指向緩沖區(qū)并將該緩沖區(qū)資料輸出到UART的函數(shù)。如果指標是XDATA指標，那么XDATA陣列能被發(fā)送到UART，但在代碼空間中的陣列首先需要被復制到XDATA。通用指標能同時指向代碼和XDATA空間，但速度較慢，并且需要更多的代碼來訪問。 專用區(qū)域指標在大多情況下能發(fā)揮作用，但是通用指標在編寫使用情況未知的可重用代碼時非常靈活。如果這種情況在應用中很常見，那么8051就失去了其效率優(yōu)勢。 (4) 通過選擇完成工作 我已經(jīng)注意到多次，運算傾向于選擇ARM，而控制傾向于選擇8051，但沒有應用僅僅著眼于計算或控制。我們怎樣才能表征廣義上的應用，并計算出它的合適范圍呢？讓我們考慮一個由10％的32位元計算、25％的控制代碼和65％的一般代碼構成的假定的應用，它不能明確地歸于8位元或32位元類別。 這個應用也更注重代碼空間而不是執(zhí)行速度，因為它并不需要所有可用MIPS，并且必須為成本進行優(yōu)化。成本比應用速度更為重要的事實在一般代碼情形下將給8051內(nèi)核帶來微弱優(yōu)勢。此外，8051內(nèi)核在控制代碼中有中間等級的優(yōu)勢。ARM內(nèi)核在32位元計算上占上風，但是這并非是很多應用所考慮的�？紤]到所有這些因素，這個特殊的應用選擇8051內(nèi)核更加合適。 如果進行細微的改變，假設該應用更關心執(zhí)行速度而非成本，那么通用代碼不會傾向于哪種架構，并且ARM內(nèi)核在計算代碼中全面占優(yōu)勢。在這種情況下，雖然有比計算更多的控制代碼，但是總的結果將相當均衡。顯然，在這個過程中有很多的評估，但是分解應用，然后評估每一元件的技術將?明并確保我們了解在哪種情況下哪種架構有更顯著的優(yōu)勢。 功耗 當查閱資料手冊時，很容易根據(jù)功耗資料得出哪個MCU更優(yōu)的結論。雖然睡眠模式和工作模式電流性能在某些類型MCU上更優(yōu)，但是這一評估可能會非常具有誤導性。占空比（在每個電源模式上分別占用多少時間）將始終占據(jù)功耗的主導地位。除非兩個器件的占空比相同，否則資料手冊中的電流規(guī)格幾乎是沒有意義的。最適合應用需求的核心架構通常具有更低的功耗。 假設有一個系統(tǒng)，在設備被喚醒后添加一個16位元ADC樣本到移動平均，然后返回到休眠狀態(tài)，直到獲取下一個樣本時才又被喚醒。該任務涉及到大量16位元和32位元計算。ARM設備將能夠進行計算，并比8051設備更快返回到休眠狀態(tài)，這會讓系統(tǒng)功耗更低，即使8051具有更好的睡眠和工作模式電流。當然，如果進行的任務更適合8051設備，那么MCU功耗由于相同的原因而對系統(tǒng)有利。 圖二: 雖然睡眠模式和工作模式電流性能在某些類型MCU上更優(yōu)，但是這一評估可能會非常具有誤導性。(Source：NBC News) 8位或32位？我仍然不能決定！ 如果考慮到所有這些變數(shù)后，仍然不清楚哪些MCU架構是最好的選擇，會怎樣？那好吧！這說明，它們都是很好的選擇，你使用哪種體系結構并不是緊要的事情。如果沒有明確的技術優(yōu)勢，那么過去的經(jīng)驗和個人喜好在你的MCU架構決定中也起到了很大的作用。 此外，你也可以利用這個機會去評估可能的未來項目，如果大多數(shù)未來專案更適合ARM設備，那么選擇ARM，如果未來項目更側(cè)重于降低成本和尺寸，那么就選擇8051。 這到底意味著什么呢？ 8位元MCU仍然可以為嵌入式開發(fā)人員提供許多功能，并且越來越關注物聯(lián)網(wǎng)。當開發(fā)人員開始設計時，重要的是確保從工具箱中獲得合適的工具。雖然我還是很樂意把8051出售給可能更適合選擇32位元設備的客戶，但是我不禁想像，如果開發(fā)人員僅僅花費1個小時思考就作出決定，那么他們的工作將會更加容易、最終的產(chǎn)品將會更好。 實際上的難題是，不能僅僅依賴于一些演示文件中的一兩個要點，就得出選擇MCU架構的結論。然而，一旦你有正確的資訊，并愿意花一點時間應用它，就不難作出最佳選擇。 ——文章來源： 新電子 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