選用8位和32位MCU的關(guān)鍵考量

微控制器（MCU）如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用？開發(fā)人員又該如何為產(chǎn)品選擇最合適的MCU解決方案？Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）產(chǎn)品營銷高級經(jīng)理Gopinath Krishniah先生將通過本篇博文說明MCU的應(yīng)用知識和開發(fā)技巧，并介紹評估選用8位和32位MCU的關(guān)鍵考量。

你是否曾經(jīng)驚嘆過健身追蹤器是如何記錄你走的每一步，或者洗衣機(jī)是如何感知水位的?其實(shí)是通過設(shè)備內(nèi)部的MCU。它是一個集成電路上的小型計(jì)算機(jī)，包含一個或多個處理器核心（CPU）、存儲器和可編程輸入/輸出外設(shè)。這些微型芯片是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且流行的數(shù)據(jù)收集、傳感和控制物理世界的手段。

MCU應(yīng)用于各種系統(tǒng)，從汽車發(fā)動機(jī)控制和植入式醫(yī)療設(shè)備到遠(yuǎn)程控制，辦公機(jī)器，電器，電動工具，玩具和其他嵌入式系統(tǒng)。它們作為一個橋梁，使通信協(xié)議和硬件抽象層能夠交互并運(yùn)行所選的操作設(shè)備的RTOS/OS。

MCU常用特性

MCU是嵌入式設(shè)備的大腦，在一個很小的封裝中封裝了強(qiáng)大的功能。無論架構(gòu)如何，所有MCU都有某些共同點(diǎn):

基于位數(shù)的MCU核心架構(gòu)：MCU使用的位數(shù)為8、16、32（有時稱為位深度或數(shù)據(jù)寬度）來表示寄存器的大小，如8位為每個寄存器8位，內(nèi)存地址的數(shù)量28=256個地址；32位理論上可以尋址多達(dá)536MB的數(shù)據(jù)，從技術(shù)上講使其更具數(shù)據(jù)效率。

內(nèi)存：MCU有兩種內(nèi)存，程序存儲器（閃存）存儲在MCU上運(yùn)行的代碼，而數(shù)據(jù)存儲器（RAM）存儲代碼使用的數(shù)據(jù)。

外設(shè)和通信接口：這些內(nèi)置的工具讓MCU與外部世界進(jìn)行交互，如感應(yīng)溫度或控制電機(jī)。

安全：MCU安全對于保護(hù)固件知識產(chǎn)權(quán)，保護(hù)設(shè)備中的私有數(shù)據(jù)，保證服務(wù)執(zhí)行至關(guān)重要。

8位MCU和市場流行的架構(gòu)

自20世紀(jì)80年代以來，8位MCU一直是嵌入式開發(fā)的核心，即使32位架構(gòu)變得更加普遍，也將繼續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)代8位MCU的簡單性和成本效益確保它們在許多年內(nèi)仍將是工程師工具箱中的關(guān)鍵工具。

下面是一些流行的8位MCU架構(gòu)的例子：

PIC: 1975年由General Instruments公司開發(fā)，現(xiàn)在屬于Microchip公司，PIC芯片為無數(shù)玩具，遙控器和預(yù)算友好型小工具提供動力。

AVR: 由Atmel開發(fā)，深受愛好者和專業(yè)人士的喜愛，AVR芯片是Arduino板的核心，使每個人都可以使用電子產(chǎn)品。它們是創(chuàng)新的催化劑，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

8051: 由英特爾于1980年開發(fā)，是一個真正的老手，8051在工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備中蓬勃發(fā)展，強(qiáng)調(diào)了簡單和可靠性的持久吸引力

芯科科技使用CIP-8051內(nèi)核作為整個C8051和EFM 8位產(chǎn)品組合的基礎(chǔ)。這種流水線架構(gòu)使我們能夠提高效率，超過80%的指令在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，使其優(yōu)于其他8位MCU。芯科科技8位產(chǎn)品的最新成員是BB5家族，由3個系列組成：

BB52: 通用的MCU，具有更大的內(nèi)存和多達(dá)29個GPIO

BB51: 這是中檔MCU，在功能和成本上取得平衡

BB50: 可提供兼具小尺寸和成本效益的平臺，即使是針對最簡單的應(yīng)用

8位MCU的優(yōu)勢

8位MCU比32位MCU有幾個優(yōu)點(diǎn)。以下是一些最重要的優(yōu)勢:

成本：8位MCU是預(yù)算敏感項(xiàng)目和設(shè)計(jì)愛好者做實(shí)驗(yàn)的完美選擇。

功耗：8位MCU比32位MCU更精簡，使其成為功耗敏感型的簡單應(yīng)用的理想選擇。

代碼大小：8位MCU代碼占用很小，這對于內(nèi)存有限的應(yīng)用程序是有利的。

易用性：8位MCU易于學(xué)習(xí)和使用。有了現(xiàn)成的開發(fā)工具和在線社區(qū)，用戶可以立即開始編碼。

可用性：8位MCU隨時可用，有大量選項(xiàng)可供選擇。無論您是構(gòu)建簡單的機(jī)器人還是智能家居傳感器，8位MCU都能將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

8位MCU的缺點(diǎn)

盡管8位MCU因價格實(shí)惠和尺寸緊湊而廣受歡迎，但與高位微控制器相比，確實(shí)有一些限制。

有限的內(nèi)存空間：8位微控制器的主要缺點(diǎn)之一是有限的內(nèi)存空間，這可能給執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或處理大量數(shù)據(jù)帶來挑戰(zhàn)。

處理速度：由于其有限的指令集，8位MCU在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或處理大量數(shù)據(jù)的能力方面受到限制。在需要實(shí)時處理或高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用程序中，這可能是一個明顯的缺點(diǎn)。

32位MCU和市場流行的架構(gòu)

有沒有想過無人機(jī)如何捕捉驚人的航拍鏡頭，或者智能揚(yáng)聲器如何完美地播放音樂？這些看似神奇的動作都是通過32位MCU實(shí)現(xiàn)的！32位MCU擅長處理復(fù)雜任務(wù)、處理大量數(shù)據(jù)，并支持高端代數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)學(xué)。下面是一些流行的例子：

ARMCortex-M: ARM Cortex-M系列是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的32位MCU系列。是智能手機(jī)、無人機(jī)和可穿戴設(shè)備背后的強(qiáng)大力量。

PIC32: PIC32 MCU是由Microchip開發(fā)的32位微控制器系列。從工業(yè)自動化到機(jī)器人技術(shù)，PIC32高效地解決了苛刻的任務(wù)。

AVR32: AVR32是由Atmel開發(fā)的32位微控制器架構(gòu)，將用戶友好的AVR世界帶入32位域，使其成為愛好者和專業(yè)人士的完美選擇。

RISC-V: RISC-V是開源架構(gòu)，是RISC架構(gòu)家族中的最新發(fā)展，具有簡單、模塊化和可擴(kuò)展的特點(diǎn)。RISC-V架構(gòu)由于其開源特性而越來越受歡迎，這允許更大的靈活性和定制。RISC-V MCU被用于各種應(yīng)用，包括嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和高性能計(jì)算。

所有芯科科技提供的EFM32和EFR32第二代無線SoC平臺和MCU產(chǎn)品系列都使用多核Cortex-M平臺。我們的大多數(shù)Cortex-M33運(yùn)行高達(dá)76.4 MHz，作為無線和應(yīng)用開發(fā)的主要應(yīng)用核心，而2個專用M0+核心操作無線電和安全子系統(tǒng)，為開發(fā)人員提供整個產(chǎn)品組合的一致平臺。該體系結(jié)構(gòu)允許子系統(tǒng)獨(dú)立于應(yīng)用程序核心運(yùn)行，并幫助提供底層靈活性，而無需縮短開發(fā)時間，并允許產(chǎn)品系列之間的更多設(shè)計(jì)重用。將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）硬件加速添加到無線和獨(dú)立MCU中，可以減少邊緣所需的額外智能所需的時間和功耗。

32位MCU的優(yōu)勢

32位微控制器比8位微控制器有幾個優(yōu)點(diǎn)。以下是一些最重要的優(yōu)勢:

處理能力：32位MCU提供高性能和較高功耗。它們比8位和16位的同類產(chǎn)品更快、更強(qiáng)大，但仍然節(jié)能。32位MCU可以處理更多的RAM和閃存，以及更高的時鐘速度。這使得它們非常適合需要高性能計(jì)算的應(yīng)用程序，例如FFT計(jì)算、高質(zhì)量音頻或視頻、高分辨率圖像處理以及各種邊緣計(jì)算應(yīng)用程序。

內(nèi)存：32位內(nèi)存總線提供比8位內(nèi)存總線更寬的數(shù)據(jù)路徑，允許它在單個時鐘周期內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和提高整體系統(tǒng)性能，從而使我們能夠保存高分辨率的圖像，復(fù)雜的算法，甚至整個操作系統(tǒng)。

外設(shè)支持：32位MCU在外設(shè)方面有幾個優(yōu)勢。它們提供更先進(jìn)的通信接口，如EUSART,USB，以太網(wǎng)，CAN, SDMMC，集成LCD控制器等。這些外設(shè)對于許多現(xiàn)代應(yīng)用至關(guān)重要，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車系統(tǒng)和工業(yè)自動化。32位MCU還提供更先進(jìn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(20位ADC)，這對于許多需要高精度測量，12位DAC，高級計(jì)時器，可編程計(jì)數(shù)器和精確集成定時組件(如高精度內(nèi)部RC振蕩器)的應(yīng)用至關(guān)重要，這對于許多需要精確定時和計(jì)數(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。

編碼效率：32位MCU可以在每個周期內(nèi)封裝更多指令，從而實(shí)現(xiàn)更快的執(zhí)行速度和更低的功耗。這是因?yàn)樗鼈兠總€時鐘周期可以處理更多的數(shù)據(jù)位，這意味著它們可以事半功倍。此外，32位MCU可以實(shí)現(xiàn)更高的代碼效率，這意味著更小的程序可以進(jìn)行復(fù)雜的操作。

庫和驅(qū)動程序的可用性：準(zhǔn)備好訪問各種庫和維護(hù)良好的驅(qū)動程序?qū)τ诟咝У能浖_發(fā)和無縫的硬件集成至關(guān)重要。當(dāng)開發(fā)人員可以利用現(xiàn)有的庫和驅(qū)動程序時，它可以顯著提高生產(chǎn)力，并有助于創(chuàng)建提供更好用戶體驗(yàn)的健壯應(yīng)用程序。

32位MCU的缺點(diǎn)

雖然32位微控制器在功能和多功能性方面占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們并不是一個通用的解決方案。在啟動項(xiàng)目之前，請考慮以下權(quán)衡：

功耗：32位架構(gòu)的復(fù)雜性使得實(shí)現(xiàn)最佳低功耗操作比簡單的8位MCU要復(fù)雜得多。開發(fā)人員可能需要管理更復(fù)雜的能量狀態(tài)，并對外圍設(shè)備進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到類似的功耗指標(biāo)。

復(fù)雜性：32位MCU比8位MCU更復(fù)雜，這使得它們更難以編程和調(diào)試。

代碼大?。?/strong>32位MCU可能比8位MCU具有更大的代碼大小，這對于內(nèi)存有限的應(yīng)用程序來說可能是一個缺點(diǎn)。然而，代碼大小在很大程度上取決于用于產(chǎn)品開發(fā)的代碼優(yōu)化工具。