對比了8位MCU和32位MCU的使用案例來作為選擇指南

該如何對8位以及32位的MCU進(jìn)行選擇？8位和32位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(yīng)用適合什么樣的MCU架構(gòu)。

本文對比了8位MCU和32位MCU的使用案例，也可作為如何選擇這兩種MCU架構(gòu)的指南使用。本文中大部分32位MCU的范例將關(guān)注ARM Cortex-M，Cortex-M在不同MCU供應(yīng)商產(chǎn)品組合中表現(xiàn)得非常相似。鑒于8位MCU有很多種架構(gòu)，所以很難對8位供應(yīng)商產(chǎn)品進(jìn)行類似的比較。為了便于進(jìn)行比較，我們將使用廣泛應(yīng)用、易于理解的8051 架構(gòu)，該架構(gòu)深受嵌入式開發(fā)人員的青睞。

8位和32位MCU該如何選擇？

有時，當(dāng)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(shí)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(yīng)是哪種MCU能幫我更好地解決當(dāng)下面臨的問題。不同的任務(wù)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(yùn)用我們所擁有的工具」，包括8位和32位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(shè)備進(jìn)行比較，需要對其進(jìn)行測量。有很多構(gòu)建工具可供選擇，我們盡量選擇一些場景，我認(rèn)為其能夠進(jìn)行最公平的比較，且最能代表開發(fā)人員的真實(shí)體驗(yàn)。

并非所有的MCU都是一樣的

在開始對架構(gòu)進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行對比，8051 MCU在性能對比上不會勝出。幸運(yùn)的是，依然有許多供應(yīng)商一直在對8位處理器持續(xù)投資。在許多應(yīng)用中，8位內(nèi)核能依然能夠彌補(bǔ)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)代嵌入式固件開發(fā)需要全功能IDE、現(xiàn)成的固件庫、豐富的范例、完整的評估和入門套件以及助手應(yīng)用以簡化硬體設(shè)定、庫管理和量產(chǎn)程式設(shè)計之類的工作。當(dāng)MCU有了現(xiàn)代化的8位內(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(shè)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(wù)。有必要注意一點(diǎn)，在大多數(shù)情況下，外設(shè)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MCU上找到所有這些外設(shè)。

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(gòu)都可以完成工作，需要權(quán)衡的是選擇ARM內(nèi)核帶來的易用性，還是8051設(shè)備帶來的成本和物理尺寸優(yōu)勢。ARM Cortex-M架構(gòu)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(gòu)非常易于寫固件。此外，還可得到一系列庫和協(xié)力廠商代碼。當(dāng)然，這種易用性的代價就是成本。對于高復(fù)雜性、上市時間較短的應(yīng)用或缺乏經(jīng)驗(yàn)的固件開發(fā)人員來說，易用性是個重要因素。

盡管8位與32位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位器件，而卻很少見低于8 KB/2 KB的32位器件。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(yīng)用會更傾向于選擇8051解決方案。

通常，8位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位和32位架構(gòu)之間的差異較小，但卻使成本增加，且組裝較難。對于空間嚴(yán)格受限的應(yīng)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(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)越大，這種影響就越小。

但這種8位存儲資源的優(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位運(yùn)算僅需要一條ARM設(shè)備指令，而在8051 MCU上則需要多條8位指令。顯然，這種代碼在ARM架構(gòu)上有更高的執(zhí)行效率。

ARM架構(gòu)在Flash/RAM尺寸較小時的兩個主要缺點(diǎn)是：代碼空間效率和RAM使用的可預(yù)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位組、2位組或3位組指令，而ARM內(nèi)核使用2位組或4位組指令。通常情況下，8051指令更小，但這一優(yōu)勢因?qū)嶋H上花費(fèi)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位運(yùn)算就是這樣一個范例。實(shí)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(gòu)的載入/存儲架構(gòu)通常比指令寬度更為重要。試想訊號量的實(shí)現(xiàn)，一個變數(shù)需要在代碼周圍的多個不同位置進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(biāo)志訊號量卻廣泛應(yīng)用于控制導(dǎo)向的應(yīng)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(shè)備針對每次函式呼叫僅在棧上存儲返回位址（2位組），通常通過分配給棧的靜態(tài)變數(shù)處理大量的任務(wù)。

在某些情況下，這會產(chǎn)生問題，因?yàn)檫@會造成函數(shù)預(yù)設(shè)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(yù)測，這在RAM容量有限的MCU中至關(guān)重要。

圖一: 不同的任務(wù)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(yùn)用我們所擁有的工具」，包括8位和32位MCU。(Source：Yola)

架構(gòu)細(xì)節(jié)

現(xiàn)在，我們來說基本情景。假設(shè)有基于ARM和基于8051的MCU各一個，配有所需的外設(shè)，那么對于較大的系統(tǒng)或需要重點(diǎn)考慮易用性的應(yīng)用來說，ARM設(shè)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(shè)備將是更好的選擇。下面我們對于每種架構(gòu)更擅長的應(yīng)用進(jìn)行更詳細(xì)的分析，同時也劃分出一般原則。

(1) 延時

兩種架構(gòu)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(shè)匯流排（APB）配備的外設(shè)也會影響延時，這是因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/soft/special/" target="_blank">資料必須通過APB和AMBA高性能匯流排（AHB）傳輸。最后，當(dāng)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(shè)延時。

我做了1個簡單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(biāo)志。然后我測量了一些參數(shù)顯示了32位的實(shí)現(xiàn)。

簡單說明這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果，8051內(nèi)核在中斷服務(wù)程式（ISR）進(jìn)入和退出時顯示出優(yōu)勢。但是，隨著中斷服務(wù)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(wù)程式（ISR）涉及到大量資料移轉(zhuǎn)或大于8位的整數(shù)資料運(yùn)算，中斷服務(wù)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位或32位移動平均的ADC ISR可能在ARM設(shè)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位運(yùn)算。此外，32位資料通道使得ARM MCU復(fù)制大包的資料更加有效，因?yàn)樗看慰梢砸苿?個位組，而8051每次僅能夠移動1個位組。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(yīng)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位運(yùn)算的應(yīng)用不應(yīng)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(guān)的?？紤]使用UART到SPI橋接器，該應(yīng)用花費(fèi)大部分時間在外設(shè)之間復(fù)制資料，而ARM內(nèi)核會更高效地完成該任務(wù)。

然而，這也是一個非常小的應(yīng)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(yīng)用中的高資料速率。對于ARM設(shè)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?yàn)轭~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(guān)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(guān)注的環(huán)境中的各種架構(gòu)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(shè)備沒有像ARM設(shè)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(biāo)會說明它指向什么空間。然而，在某些情況下，使用通用指標(biāo)可以指向任何空間，但是這種類型的指標(biāo)是低效的訪問。例如，將指標(biāo)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(biāo)是XDATA指標(biāo)，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(fù)制到XDATA。通用指標(biāo)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(biāo)在大多情況下能發(fā)揮作用，但是通用指標(biāo)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(yīng)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(yùn)算傾向于選擇ARM，而控制傾向于選擇8051，但沒有應(yīng)用僅僅著眼于計算或控制。我們怎樣才能表征廣義上的應(yīng)用，并計算出它的合適范圍呢？讓我們考慮一個由10％的32位計算、25％的控制代碼和65％的一般代碼構(gòu)成的假定的應(yīng)用，它不能明確地歸于8位或32位類別。

這個應(yīng)用也更注重代碼空間而不是執(zhí)行速度，因?yàn)樗⒉恍枰锌捎肕IPS，并且必須為成本進(jìn)行優(yōu)化。成本比應(yīng)用速度更為重要的事實(shí)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位計算上占上風(fēng)，但是這并非是很多應(yīng)用所考慮的?？紤]到所有這些因素，這個特殊的應(yīng)用選擇8051內(nèi)核更加合適。

如果進(jìn)行細(xì)微的改變，假設(shè)該應(yīng)用更關(guān)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(gòu)，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(jié)果將相當(dāng)均衡。顯然，在這個過程中有很多的評估，但是分解應(yīng)用，然后評估每一元件的技術(shù)將?明并確保我們了解在哪種情況下哪種架構(gòu)有更顯著的優(yōu)勢。

功耗

當(dāng)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用需求的核心架構(gòu)通常具有更低的功耗。

假設(shè)有一個系統(tǒng)，在設(shè)備被喚醒后添加一個16位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(wù)涉及到大量16位和32位計算。ARM設(shè)備將能夠進(jìn)行計算，并比8051設(shè)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(dāng)然，如果進(jìn)行的任務(wù)更適合8051設(shè)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(dǎo)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(gòu)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(jié)構(gòu)并不是緊要的事情。如果沒有明確的技術(shù)優(yōu)勢，那么過去的經(jīng)驗(yàn)和個人喜好在你的MCU架構(gòu)決定中也起到了很大的作用。

此外，你也可以利用這個機(jī)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(shè)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(guān)注物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)開發(fā)人員開始設(shè)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位設(shè)備的客戶，但是我不禁想像，如果開發(fā)人員僅僅花費(fèi)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(shí)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(diǎn)，就得出選擇MCU架構(gòu)的結(jié)論。然而，一旦你有正確的資訊，并愿意花一點(diǎn)時間應(yīng)用它，就不難作出最佳選擇。