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【行業(yè)動態(tài)】8位或32位,MCU該怎么選? 掌握這幾點很關(guān)鍵

日期:2019-07-23    來源:

該如何對8位以及32位的MCU進行選擇?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)品進行類似的比較。為了便于進行比較,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(yīng)是哪種MCU能幫我更好地解決當下面臨的問題。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)備進行比較,需要對其進行測量。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(gòu)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 Cortex-M0+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(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。現(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 Cortex-M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,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(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件中并非常見,但簡單的計數(shù)器和標志訊號量卻廣泛應(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,因為這會造成函數(shù)預(yù)設(shè)不可重入。然而,這也意味著必須保留的棧空間很小,且完全可預(yù)測,這在RAM容量有限的MCU中至關(guān)重要。

 

架構(gòu)細節(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)用進行更詳細的分析,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(shè)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位的實現(xiàn)。

 

簡單說明這個實驗結(jié)果,8051內(nèi)核在中斷服務(wù)程式(ISR)進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,因為它每次可以移動4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。考慮使用UART到SPI橋接器,該應(yīng)用花費大部分時間在外設(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(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(fù)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(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(yīng)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位計算上占上風,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。

 

如果進行細微的改變,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。當然,如果進行的任務(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。

 

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,但是我不禁想象,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(gòu)的結(jié)論。然而,一旦你有正確的資訊,并愿意花一點時間應(yīng)用它,就不難作出最佳選擇。(文章來源:新電子)

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