如何選擇8位、16位、32位MCU中合適的器件

幾十年前，8位單片機(MCU)席卷業(yè)界，但現(xiàn)在8位MCU有讓位32位架構(gòu)的趨勢，有行業(yè)分析師指出，32位和8位單片機還在在不斷成長。不過，最早使用MCU的人對BASIC以及Microchip PIC還念念不忘，不過以最新Arduino Uno來說，這就是一個從8位到32位架構(gòu)轉(zhuǎn)變的典型案例。即使你現(xiàn)在的應用程序只需要一個8位架構(gòu)，但因為所謂的“智能”設(shè)備需求增長過些日子8位就不夠用了，值得慶幸的是，現(xiàn)在有大量開源開發(fā)工具可以讓那些渴望“冒險”的激進工程師使用。

圖1：寄存器大小是的區(qū)別系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵指標，同時也影響系統(tǒng)性能。

1 科普---8, 16, 32性能大比拼

當我們說一個單片機是8位或32位的時候到底是指什么意思呢？其實這些數(shù)指的是處理器寄存器的大小或?qū)挾?。一個8位單片機寄存器，一個處理器的基本內(nèi)存單元是8位寬。在被算術(shù)邏輯單元(ALU)操作之前寄存器從RAM內(nèi)存取出數(shù)據(jù)進行存儲。因此，較大的寄存器意味著是我們可以操作大量的數(shù)據(jù)以減少時鐘周期。一般來說，更大的寄存器給我們帶來更好的計算性能，這就是為什么筆記本電腦和智能手機的中央處理單元(CPU)使用64位的架構(gòu)。

那從8位轉(zhuǎn)換位32位究竟有什么優(yōu)勢呢?如何來權(quán)衡?要很好地理解技術(shù)和您的應用程序以確保您做出正確的設(shè)計決策。

1.更多的內(nèi)存：32位架構(gòu)意味著你直接訪問4Gb的內(nèi)存空間而不需要采取特殊的技術(shù)，如內(nèi)存分頁。

2.處理能力：新架構(gòu)主要受益于更快的時鐘和每個時鐘周期增加的計算能力。平均來說，這意味通過32位架構(gòu)可以處理更多的吞吐量以實現(xiàn)90到100 MIPS；而8位單片機最大只能達到大約25到30 MIPS。

3.能耗效率：32位架構(gòu)往往利用新的電路結(jié)構(gòu)和制造工藝，因此，他們必須在較低工作電壓下來減少晶體管漏電流。如此換來的是能耗效率處理能力的提高。這就意味著，如果你想設(shè)計一個東西一枚硬幣電池就能運行幾個月，那么一個32位架構(gòu)芯片可能不是最好的選擇。相反，8位系統(tǒng)因采用較大的工藝尺寸而且要在5 V電壓下工作，因此適合噪聲環(huán)境下的應用。

4.成本：32位平臺與8位相比通常貴在功能相似的地方（如內(nèi)存數(shù)量和外圍組件)。盡管一個成本差別不是那么大了，但它確實是存在，當產(chǎn)品量大了其差距就很明顯了。

5.封裝大小：8位單片機可以應用在一些很小的封裝；有些僅有6針。但微小的封裝使得外部設(shè)備沒有很多I / O可以進行處理。

6.開發(fā)易用性：在這里需要您了解自己的應用程序。制造商首先傾向于將新的和更高級的功能添加到他們的32位架構(gòu)。先進的機載設(shè)備，先進的I / O功能，并在32位系統(tǒng)上增加內(nèi)存，這樣可以很方便如果應用程序需要他們，盡管他們?yōu)榇鷥r來編碼簡單。更高級的功能可以導致不同的時鐘速度，需要調(diào)整更多的配置寄存器來設(shè)置等等。相反，8位系統(tǒng)相對而言往往是簡單和容易的代碼。如果您的應用程序不需要高級特性，實際上可以堅持使用一個8位架構(gòu)。8位和32位架構(gòu)往往利用C語言編譯器，盡管許多開發(fā)人員更喜歡在8位平臺上使用匯編語言。

2 32位開源平臺

過去十年，隨著流行開源硬件(OSHW)的增增長，許多平臺開發(fā)人員選擇了8位架構(gòu)，原因是基于成本以及DIP封裝(許多流行的8位單片機都使用這個)變的更加用戶友好。(很多32位架構(gòu)是non-DIP包如表貼封裝(SMD)，這意味著要應用于機器。在PCB上手工焊接是非常難的，當然更不適合面包板比如PDIP。球柵陣列(BGA)封裝的確是不適合焊接。唉，這些小封裝使老式原型手工焊更難。

不過，今天的重心是將OSHW只是一個教育平臺逐漸變成為一個原型平臺甚至消費級產(chǎn)品平臺。因此，基于32位系統(tǒng)的計算和低功耗性能越來越變成理想的“創(chuàng)客神器”，希望從原型到生產(chǎn)一次搞定。此外，基于32位的芯片系統(tǒng)(SoC)平臺變得更便宜，集成更實用的功能(如藍牙低能量，WiFi和NFC)和變得更容易使用，制造商無疑將繼續(xù)生產(chǎn)這些低成本開源開發(fā)板。其目的就是簡單地了解工作和能夠微調(diào)每個配置寄存器設(shè)置以使性能最大化，大多數(shù)廠商都愿意做這個事情。

32位硬件平臺獲得越來越多的認可，許多制造商都提供這類產(chǎn)品包括BeagleBone、德州儀器、意法半導體、Cypress、Arduino等。為了更加簡單的獲取這些新平臺，Mouser 開發(fā)了一個開源硬件，在這里你可以根據(jù)需求選擇適合自己的器件平臺。

這里列舉一小部分例子：

l 需要安卓驅(qū)動系統(tǒng)的性能?查看UDOO Neo。

l 需要一個SD卡插槽保存數(shù)據(jù)?去用一個 Intel Edison或Galileo。

l 需要64位管腳的數(shù)字I/O？去找下BeagleBone Green。

l 需要獲取更多的I/O？試試STM32 Nucleo。

l 想要培訓更高級開發(fā)給STEM學生？這些學生習慣使用 Arduino ecosystem，那么Arduino 101板也許適合你。

此外還有更多選擇

3 未來和今天

毫無疑問，原來越多人會選擇32位嵌入式平臺的。正因為如此，他們也要求更高的計算機架構(gòu)。雖然他們可能永遠不會完全侵占8位MCU市場，但未來確實是屬于32位平臺。不可避免的是，隨著成本下降和更能處理復雜性需求，“連接所有”將由32位平臺來實現(xiàn)而不是8位平臺。