微控制器（MCU）選型指南

“RP2040、ESP32、AVR、CH32V003、STM32...？各種各樣的 MCU 挑花了眼，到底該如何選擇？”

細(xì)心的讀者可能注意到，我有時會調(diào)侃那些在可以用更簡單、更便宜的控制方案的情況下，卻選擇了單板計算機（SBCs）用于項目的愛好者。

焊接中的微控制器

我不是一個純粹主義者；硬件和軟件的選擇沒有最終結(jié)果重要。但某些決策實屬自討苦吃：若僅需控制幾個 I/O 端口，樹莓派搭載的完整 Linux 系統(tǒng)不僅帶來延遲和調(diào)度抖動，還潛藏諸多隱患（如失控的后臺服務(wù)數(shù)月間用臨時文件或日志塞滿SD卡）。 本文將超越調(diào)侃范疇，讓我們快速了解一下您在嵌入式控制方面擁有的選擇，將可編程芯片的應(yīng)用場景劃分為三大類進(jìn)行解析。 場景一：流程控制

到目前為止，業(yè)余項目中最常見的需求是簡單的自動化：即采集傳感器或輸入界面數(shù)據(jù)，按既定邏輯控制電機、小型顯示屏或繼電器。若滿足以下條件，則適用本場景：

算法足夠簡單，對于可變變量或調(diào)用棧所需的 RAM 不超過 16 kB

每秒運算量不超過約 5 萬次浮點運算或 3.2 萬次 32 位乘除

I/O 操作頻率低于10MHz

長期以來，這類任務(wù)由 8 位微控制器主導(dǎo)。早期產(chǎn)品源自 1970 年代 CPU 架構(gòu)，后逐漸被Atmel開發(fā)（現(xiàn)由Microchip維護(hù)）的 AVR 系列等現(xiàn)代設(shè)計取代。該系列不僅包含經(jīng)典 ATmega 芯片，還有性能更強、成本更低的 AVR Dx 系列，但相對來說，AVR Dx系列在愛好者群體中的知名度并不高。

現(xiàn)代 8 位 MCU 性能較早期 8位微機提升了數(shù)個量級，但更注重易用性而非極致速度。此類芯片具備寬電壓輸入范圍，集成豐富外設(shè)（ADC、DAC、運放、核心獨立可配置邏輯等），并擁有超低功耗休眠模式。最關(guān)鍵的是其架構(gòu)簡潔，執(zhí)行速度穩(wěn)定可預(yù)測，無需擔(dān)憂總線競爭、分支預(yù)測、緩存未命中或內(nèi)存等待狀態(tài)等問題。

近年來涌現(xiàn)出大量用途相似但簡化的、低端的 32 位芯片（如意法半導(dǎo)體 STM32L0 系列、國產(chǎn) CH32V003）。這些產(chǎn)品多基于 50 MHz 以下的 ARM Cortex-M0 或 RISC-V 內(nèi)核，配備不足 32KB SRAM。盡管 32 位聽起來在技術(shù)上更先進(jìn)、更現(xiàn)代，但在這個特定的細(xì)分領(lǐng)域，32 位技術(shù)并沒有帶來真正的優(yōu)勢，反而存在一些隱藏的權(quán)衡：例如 CH32V003 缺失整數(shù)乘法電路。此類芯片存在的根本原因是，對于那些不是Microchip公司且沒有內(nèi)部8位芯片設(shè)計團隊的公司來說，制造這類32位芯片的成本更低。

場景二：高性能計算 當(dāng)涉及海量數(shù)據(jù)處理時，低成本平臺的局限暴露無遺。典型場景包括攝像頭信號流中的物體檢測、視頻流解壓縮，或者運行《毀滅戰(zhàn)士》游戲。 計算類芯片是高端芯片的領(lǐng)域，具備浮點運算單元、直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器、幾百K的快速內(nèi)置RAM，以及最高可達(dá)約 500MHz 的時鐘頻率。旗艦產(chǎn)品多基于ARM Cortex-M7架構(gòu)（部分廠商選擇集成多個低端核心如 Cortex-M3）。這類 IC 可能集成高速 USB 或以太網(wǎng)專用電路，以及硬件加速的媒體編解碼器或加密例程。 業(yè)務(wù)愛好者常用選項包括意法半導(dǎo)體 STM32H7 系列、Microchip SAM S70/PIC32CZ 系列。恩智浦、英飛凌、瑞薩等廠商雖提供同類產(chǎn)品，但因文檔質(zhì)量欠佳及參考代碼稀缺，應(yīng)用門檻較高。最后但同樣重要的是依托樹莓派生態(tài)的 RP2040/RP2350 系列，雖因無內(nèi)置閃存略顯不便（最新 RP2354 已改進(jìn)），仍屬優(yōu)秀芯片。 高端 32 位芯片雖比 8 位產(chǎn)品更為復(fù)雜，但學(xué)習(xí)曲線并非想象中陡峭。以 Cortex-M7 芯片 ATSAMS70J21 的 "Hello World" 配置為例，其開發(fā)流程與 AVR MCU 類似。針對此類器件已形成成熟開源工具鏈，盡管需要整合多個獨立組件。

場景三：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

當(dāng)獨立微控制器無法勝任時，通常并非算力不足，而是需滿足以下需求：高速無線連接、強勁的3D圖形協(xié)處理器、數(shù)GB高速內(nèi)存。簡言之，即承載雅虎網(wǎng)站全量追蹤器與廣告所需的配置規(guī)格。

單板計算機（SBC）是比較適合處理這類任務(wù)。它們通常配備 ARM Cortex-A 處理器，并運行完整的操作系統(tǒng)。正如之前提到的，SBC 的輸入 / 輸出延遲往往較高且難以預(yù)測，其價格通常是自微控制器（MCU）的數(shù)倍；而且，SBC 的能效通常也很差。不過，它在某些情況下可能是完成任務(wù)的最佳選擇。此外，還有一個好處就是熟悉度：它就是一個可以通過 SSH 登錄的 Linux 系統(tǒng)。 最受業(yè)余愛好者歡迎的單板計算機（SBC）是樹莓派系列，但市場上仍存在大量競品與克隆產(chǎn)品可供選擇。SBC 核心參數(shù)與傳統(tǒng) PC 無異：處理器性能、內(nèi)存大小以及圖形處理單元（GPU）。 撇開Linux系統(tǒng)不談，還存在一個處于中間狀態(tài)、比較特殊的射頻微控制器子類別，它們支持Wi-Fi功能。由于 Wi-Fi 協(xié)議復(fù)雜度高且運算密集，傳統(tǒng)方案多采用獨立模塊處理。但部分模塊廠商發(fā)現(xiàn)，通過適度分配算力，可讓用戶在 Wi-Fi 芯片上直接運行代碼。最具代表性的案例是樂鑫 ESP32 系列；其性價比難以超越，因而成為連接手機應(yīng)用的簡易物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品首選方案。若拆解「智能」咖啡機或智能貓砂盆，大概率會發(fā)現(xiàn)內(nèi)置的樂鑫芯片。

成本權(quán)衡

人們很容易被市場上最便宜的微控制器所吸引，然而，人們也應(yīng)該意識到，自己的時間是有價值的，不能僅僅因為價格而忽略其他因素。如果是在大規(guī)模生產(chǎn)廉價小飾品（trinkets），比如生產(chǎn)成千上萬個產(chǎn)品，那么更換為比原來使用的芯片便宜0.10美元的微控制器可能是明智的。然而對于愛好者的項目或者小規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)，這種微小的成本節(jié)約可能不值得付出額外的精力和麻煩。 當(dāng)你在考慮一個新的硬件平臺時，你需要思考一個問題，那就是學(xué)習(xí)這個平臺的架構(gòu)是否會在未來為你打開更多的機會之門。如果你選擇像ESP32或RP2040這樣的平臺，那么你在未來的選擇會比較有限。如果你選擇ST Microelectronics 或 Microchip 這樣的平臺，你將獲得一個廣泛的芯片選擇。這些芯片具有不同的功能、不同的價格點，并且它們都使用一個通用的工具鏈和一組相似的API（應(yīng)用程序編程接口）。這意味著，無論你選擇哪種芯片，你都可以使用相同的開發(fā)工具和編程接口來進(jìn)行開發(fā)。這為你提供了更大的靈活性和擴展性，因為你可以在不同的項目中選擇最適合的芯片，而不需要重新學(xué)習(xí)新的開發(fā)環(huán)境。另一方面，如果你需要非常便宜的 Wi-Fi 功能，那么即使有成百上千種沒有內(nèi)置連接功能的產(chǎn)品，對你來說也是沒有用的。

原文轉(zhuǎn)載自：https://lcamtuf.substack.com/p/choosing-a-microcontroller，經(jīng)過翻譯及校驗

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