【E問E答】8位還是32位，微處理器怎么選？

　　正如汽車代替了馬車，電子郵件代替了普通郵件一樣，32位元微控制器(MCU)讓8位元MCU變得黯然失色。盡管未來8位元MCU朝向32位元MCU發(fā)展將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，但目前還沒那么容易實(shí)現(xiàn)。事實(shí)證明8位元MCU和32位元MCU仍是互補(bǔ)的技術(shù)，在一些方面各有千秋，而在其它方面的表現(xiàn)卻同樣出色。這其中的竅門在于厘清何種應(yīng)用適合哪種MCU架構(gòu)。

　　本文比較了8位元MCU和32位元MCU的使用案例，可作為如何選擇這兩種MCU架構(gòu)的指南使用。

　　本文大部分32位元范例將關(guān)注于ARM Cortex-M裝置，Cortex-M在不同MCU供應(yīng)商產(chǎn)品組合中表現(xiàn)非常相似。由于8位元MCU有很多種架構(gòu)，所以很難對(duì)8位元供應(yīng)商之間進(jìn)行類似的產(chǎn)品比較。為了進(jìn)行比較，本文將使用廣泛應(yīng)用、易于理解的8051 8位元架構(gòu)。

　　事實(shí)上，“ARM Cortex和8051哪個(gè)比較好”不是個(gè)邏輯問題，反而像是在問“吉他和鋼琴哪個(gè)好”?真正要解決的問題是“哪種MCU最能幫助解決目前面臨的問題?”。

　　不同的任務(wù)須使用不同的工具，使用者目的是要了解“如何才能善用所擁有的工具”，包括8位元和32位元裝置。

　　對(duì)不同的裝置進(jìn)行比較，須要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。有很多建構(gòu)工具可供選擇，本文盡量選擇一些認(rèn)為能夠進(jìn)行最公平的比較，且最能代表開發(fā)人員真實(shí)體驗(yàn)的情境。

　　以下ARM資料是透過GCC+ nanoCLibrary和-03最佳化選項(xiàng)所生成。

　　此一比較試驗(yàn)并不為任何一種裝置的代碼最佳化，只是簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)90%開發(fā)人員都會(huì)使用的常見代碼，并呈現(xiàn)普通開發(fā)人員所見到的結(jié)果，而不是理想狀態(tài)下的結(jié)果。當(dāng)然，花費(fèi)諸多時(shí)間、精力和財(cái)力去調(diào)整8051代碼使其表現(xiàn)勝過ARM是可能的，反之亦然，但一開始就選擇適合該項(xiàng)工作的最佳工具比費(fèi)盡心力做最佳化簡(jiǎn)單多了。

　　8位元MCU功效持續(xù)精進(jìn)

　　在開始對(duì)架構(gòu)進(jìn)行比較前，要注意到并非所有的MCU都是一樣，這一點(diǎn)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做對(duì)比，8051 MCU在性能上當(dāng)然不會(huì)勝出。幸運(yùn)的是，許多供應(yīng)商一直對(duì)8位元處理器持續(xù)投資。

　　例如芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)正持續(xù)更新基于8051核心的EFM8 MCU產(chǎn)品線，其效能比原始的8051架構(gòu)更高，而且開發(fā)過程也已實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。所以在許多應(yīng)用中，8位元核心能夠容易彌補(bǔ)比M0+或M3核心不利的地方，甚至在一些方面性能更佳。

　　開發(fā)工具也很重要?，F(xiàn)代嵌入式韌體開發(fā)需要全功能IDE、現(xiàn)成的韌體庫(kù)、豐富的范例、完整的評(píng)估和入門套件，以及助手應(yīng)用，以簡(jiǎn)化硬體設(shè)定、資料庫(kù)管理和量產(chǎn)編程之類的工作。當(dāng)MCU有了現(xiàn)代化的8位元核心和開發(fā)環(huán)境時(shí)，在很多情況下，這樣的MCU將超越基于ARM-Cortex的類似MCU。

　　以系統(tǒng)規(guī)模選擇MCU

　　第一個(gè)一般性原則是：ARM Cortex-M核心更適用于較大的系統(tǒng)規(guī)模(》64KB代碼)，而8051裝置適用于較小的系統(tǒng)規(guī)模(《8KB代碼)。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)。須要注意的是，在大多數(shù)情況下，周邊組合將會(huì)發(fā)揮重要作用。如果需要三個(gè)UART、一個(gè)LCD控制器、四個(gè)時(shí)脈和兩個(gè)ADC，使用者可能不會(huì)在8位元MCU上找到所有的周邊。

　　易用性與成本/尺寸之比較

　　對(duì)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。但主要須考量是選擇ARM核心帶來的易用性，還是8051裝置帶來的成本和物理尺寸優(yōu)勢(shì)。

　　ARM Cortex-M架構(gòu)具備統(tǒng)一的儲(chǔ)存模式，并在所有常見編譯器中支援完整的C99，這使得該架構(gòu)非常易于寫韌體。此外，還可得到一系列資料庫(kù)和協(xié)力廠商代碼。

　　當(dāng)然，這種易用性的代價(jià)就是成本。對(duì)于高復(fù)雜性、上市時(shí)間較短的應(yīng)用或缺乏經(jīng)驗(yàn)的韌體開發(fā)人員來說，易用性是個(gè)重要因素。

　　比起32位元MCU，8位元MCU的成本頗具優(yōu)勢(shì)。使用者經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)建2KB/512B(Flash/RAM)的小容量8位元MCU，而卻很難找到低于8KB/2KB的32位元MCU。在不需要很多資源的系統(tǒng)中，儲(chǔ)存容量小的MCU能夠讓系統(tǒng)開發(fā)人員獲得顯著的成本降低。因此，對(duì)成本極為敏感或僅需較小儲(chǔ)存容量的應(yīng)用，會(huì)更傾向于選擇8051解決方案。

　　8位元晶片通常也具備物理尺寸上的優(yōu)勢(shì)。例如Silicon Labs提供的最小32位元QFN封裝為4mm×4mm，而基于8051的8位元晶片的QFN封裝可小至2mm×2mm。

　　晶片級(jí)封裝(CSP)的8位元和32位元架構(gòu)之間的差異較小，但卻使成本增加，且組裝較難。對(duì)于空間嚴(yán)格受限的應(yīng)用來說，通常須要選擇8051裝置來滿足限制要求。

　　通用代碼/RAM效率易影響MCU成本

　　8051 MCU成本較低的主要原因之一是其使用Flash和RAM的效率通常比ARM Cortex-M核心更高，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。

　　然而，這種8位元儲(chǔ)存資源的優(yōu)勢(shì)并不總是如此，這一點(diǎn)很重要。在某些情況下，ARM核心會(huì)像8051核心一樣高效或比其更高效。例如32位元運(yùn)算在ARM MCU上僅需要一條指令，而在8051 MCU上則需要多條8位元指令。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(shí)的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是代碼空間效率和RAM使用的可預(yù)測(cè)性。首要也是最明顯的問題是通用代碼空間效率。8051核心使用1位元組、2位元組或3位元組指令，而ARM核心使用2位元組或4位元組指令。

　　通常情況下，8051指令更小，但這一優(yōu)勢(shì)因?qū)嶋H上花費(fèi)許多時(shí)間而受到削弱，ARM核心比8051在一條指令下能做更多工作。32位元運(yùn)算就是這樣一個(gè)范例。以實(shí)踐來說，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

　　在含有分散式存取變數(shù)的系統(tǒng)中，ARM架構(gòu)的載入/儲(chǔ)存架構(gòu)通常比指令寬度更為重要。試想訊號(hào)量的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)變數(shù)需要在代碼周圍的多個(gè)不同位置進(jìn)行減量(分配)或者增量(釋放)。ARM核心必須將變數(shù)載入到暫存器，對(duì)其進(jìn)行操作并重新儲(chǔ)存，這需要三條指令。另一方面，8051核心可以直接在記憶體位置上進(jìn)行操作，且僅需一條指令。隨著每次對(duì)變數(shù)完成工作量的增大，由載入/儲(chǔ)存而產(chǎn)生的消耗就變得微不足道。但對(duì)于每次僅完成一點(diǎn)工作的情況來說，載入/儲(chǔ)存能產(chǎn)生重要影響，讓8051獲得明顯的效率優(yōu)勢(shì)。

　　盡管訊號(hào)量在嵌入式軟體中并非常見結(jié)構(gòu)，但簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器和標(biāo)志卻廣泛應(yīng)用于控制導(dǎo)向的應(yīng)用中并發(fā)揮相同的作用。許多常見的MCU代碼都屬于這一類型。

　　另一個(gè)原因是ARM處理器比8051核心具有更多的自由使用堆疊。通常情況下，8051裝置針對(duì)每次函式呼叫僅在堆疊上儲(chǔ)存返回位址(2位元組)，透過通常分配給堆疊的靜態(tài)變數(shù)處理大量的任務(wù)。在某些情況下，這會(huì)產(chǎn)生問題，因?yàn)檫@會(huì)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堆疊空間很小，且完全可預(yù)測(cè)，這在RAM容量有限的MCU中至關(guān)重要。

　　舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，試驗(yàn)者設(shè)計(jì)了以下程式，然后測(cè)量funcB內(nèi)部的堆疊深度，發(fā)現(xiàn)M0+核心的堆疊用了四十八個(gè)位元組，而8051核心的堆疊僅用了十六個(gè)位元組。當(dāng)然，8051核心還靜態(tài)配置了八個(gè)位元組的RAM，總共用了二十四個(gè)位元組。在較大的系統(tǒng)中，這個(gè)差異顯得微不足道，但是在僅有256位元組的ARM的系統(tǒng)中，這就變得很重要。

　　架構(gòu)細(xì)節(jié)之考量

　　假設(shè)有基于ARM和基于8051的MCU各一個(gè)，配有所需的周邊，那么對(duì)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裝置是更好的選擇。如果首要考量的是低成本/小尺寸，那么8051裝置將是更好的選擇。本文以下對(duì)于每種架構(gòu)更擅長(zhǎng)的應(yīng)用進(jìn)行更詳細(xì)的分析，同時(shí)也劃分出一般原則。

　　影響延時(shí)因素

　　兩種架構(gòu)的中斷和函式呼叫延時(shí)存在很大差異，8051比ARM Cortex-M核心更快。

　　此外，高階周邊匯流排(APB)配備的周邊也會(huì)影響延時(shí)，這是因?yàn)橘Y料必須透過APB和AMBA高性能匯流排(AHB)傳輸。最后，當(dāng)使用高頻核心時(shí)脈時(shí)，許多基于Cortex-M的MCU需要分配APB時(shí)脈，這也增加了周邊延時(shí)。

　　試驗(yàn)者做了個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的中斷是透過I/O引腳觸發(fā)的。該中斷對(duì)引腳發(fā)出一些訊號(hào)，并根據(jù)引發(fā)中斷的引腳更新標(biāo)志，之后再量測(cè)其部分參數(shù)的變化。

　　8051核心在中斷服務(wù)程式(ISR)進(jìn)入和退出時(shí)顯示出優(yōu)勢(shì)。但是，隨著中斷服務(wù)程式(ISR)越來越大和執(zhí)行時(shí)間的增加，這些延遲將變得微不足道。和既有原則一致，系統(tǒng)越大，8051的優(yōu)勢(shì)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位元的整數(shù)資料運(yùn)算，中斷服務(wù)程式(ISR)執(zhí)行時(shí)間的優(yōu)勢(shì)將轉(zhuǎn)向ARM核心。例如，一個(gè)采用新樣本更新16位元或32位元轉(zhuǎn)動(dòng)平均(Rolling Average)的ADC ISR可能在ARM裝置上執(zhí)行的更快。

　　8051核心的基本功能是控制代碼，其中對(duì)于變數(shù)的存取是分散的，并且使用了許多控制邏輯(If、Case等)。8051核心在處理8位元資料時(shí)也是非常有效的，而ARM Cortex-M核心擅長(zhǎng)資料處理和32位元運(yùn)算。此外，32位元資料通道使得ARM MCU復(fù)制大的資料更加有效，因?yàn)樗看慰梢砸苿?dòng)四個(gè)位元組，而8051每次僅能夠移動(dòng)一個(gè)位元組。因此，那些主要把資料從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方(例如UART到CRC或者到USB)的資料流處理應(yīng)用更適合選擇基于ARM處理器的系統(tǒng)。

　　來做個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)者編譯以下兩種架構(gòu)的函數(shù)(公式1)，變數(shù)大小為uint8_t、uint16_t和uint32_t。

　　隨著資料量的增加，8051核心需要越來越多的代碼來完成這項(xiàng)工作，最終超過了ARM函數(shù)的大小。在16位元的情況下，代碼大小幾乎類似，在執(zhí)行速度上稍優(yōu)于32位元核心，因?yàn)橄嗤a通常需要更少周期。還有一點(diǎn)很重要：只有采用最佳化的ARM編譯代碼時(shí)，這種比較才有效。未最佳化的代碼需要花費(fèi)幾倍長(zhǎng)的時(shí)間。

　　這并不意味著有大量資料移動(dòng)或32位元運(yùn)算的應(yīng)用不應(yīng)該選擇8051核心完成。

　　在許多情況下，其它方面的考量將超過ARM核心的效率優(yōu)勢(shì)，或者說這種優(yōu)勢(shì)是無關(guān)緊要的。舉例來說，考慮使用UART到SPI橋接器時(shí)，該應(yīng)用花費(fèi)大部分時(shí)間在周邊之間復(fù)制資料，而ARM核心會(huì)更高效地完成該任務(wù)。然而，這也是一個(gè)非常小的應(yīng)用，可能放入到一個(gè)僅有2KB儲(chǔ)存容量的晶片就足夠了。

　　盡管8051核心效率較低，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(duì)于ARM裝置來說，可用的額外周期可能處于空閑回圈或“等待中斷”(WFI)，等待下一個(gè)可用的資料到來。在這種情況下，8051核心仍然最有意義，因?yàn)轭~外的CPU周期是微不足道的，而較小的Flash封裝會(huì)節(jié)約成本。如果使用者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，且效率越高越可能越有利于ARM核心。這個(gè)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(shì)是何等重要，而作出這個(gè)最佳的決定是簡(jiǎn)單但卻重要的一步。

　　指標(biāo)為8051特殊優(yōu)勢(shì)

　　8051裝置不像ARM裝置般統(tǒng)一的儲(chǔ)存映射，而是對(duì)存取碼(Flash)、IDATA(內(nèi)部RAM)和XDATA(外部RAM)有不同的指令。為了產(chǎn)生高效的代碼，8051代碼的指標(biāo)會(huì)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)是低效的存取。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(shí)指向代碼和XDATA空間，但速度較慢，并且需要更多的代碼來存取。

　　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(shí)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(shì)。

　　仔細(xì)評(píng)估了解MCU使用優(yōu)勢(shì)

　　本文已經(jīng)多次注意到，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(jì)算或控制，該怎樣才能定義各種應(yīng)用，并計(jì)算出它的合適范圍呢?

　　本文考量一個(gè)由10%的32位元計(jì)算、25%的控制代碼和65%的一般代碼構(gòu)成的假定應(yīng)用時(shí)，其不能明確的歸成8或32位元類別。這個(gè)應(yīng)用也更注重代碼空間而不是執(zhí)行速度，因?yàn)槠洳⒉恍枰锌捎玫倪\(yùn)算效能，并且必須為成本進(jìn)行最佳化。

　　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為8051核心帶來些微優(yōu)勢(shì)。此外，8051核心在控制代碼中有中間等級(jí)的優(yōu)勢(shì)。ARM核心在32位元計(jì)算方面占上風(fēng)，但是這并非是很多應(yīng)用所重視的?？剂康剿羞@些因素，這個(gè)特殊的應(yīng)用選擇8051核心更加合適。

　　如果做一個(gè)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(huì)傾向于哪種架構(gòu)，并且ARM核心在計(jì)算代碼中全面占有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，雖然有比計(jì)算更多的控制代碼，但是最后結(jié)果將相當(dāng)均衡。顯然，在這個(gè)過程中有很多的評(píng)估，但是分解應(yīng)用，然后評(píng)估每一元件的技術(shù)將能確保使用者了解，在哪種情況下哪種架構(gòu)有更顯著的優(yōu)勢(shì)。

　　功耗影響須多方考量

　　當(dāng)查閱資料手冊(cè)時(shí)，很容易根據(jù)功耗資料得到哪個(gè)MCU更佳的結(jié)論。雖然睡眠模式和工作模式電流性能在某些類型MCU上確實(shí)更佳，但是這一評(píng)估可能會(huì)非常容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。

　　工作周期(在每個(gè)電源模式上分別占用多少時(shí)間)始終占據(jù)能耗的主導(dǎo)地位。除非兩個(gè)晶片的工作周期相同，否則資料手冊(cè)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)，通常具備更低的能耗。

　　假設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)，在裝置被喚醒后添加一個(gè)16位元ADC樣本到轉(zhuǎn)動(dòng)平均，然后返回到休眠狀態(tài)，直到獲取下一個(gè)樣本時(shí)才又被喚醒。該任務(wù)涉及到大量16位元和32位元計(jì)算。ARM裝置將能夠進(jìn)行計(jì)算，并比8051裝置更快返回到休眠狀態(tài)，這會(huì)讓系統(tǒng)功耗更低，即使8051具備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裝置，那么MCU能耗由于相同的原因而對(duì)系統(tǒng)有利。

　　周邊特性也能夠以類似的方式影響功耗。例如，大多數(shù)Silicon Labs的EFM32 32位元MCU具備低功耗的UART(LEUART)，能夠在低功耗模式下接收資料，而卻只有兩個(gè)EFM8 MCU具備此功能。此周邊影響電源的工作周期，且在任何須要等待UART通訊的應(yīng)用中，具備LEUART的EFM32 MCU都比缺乏LEUART的EFM8有利。遺憾的是，除了讓MCU供應(yīng)商的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師利用EFM8來解決問題，沒有簡(jiǎn)單的指南來評(píng)估這些周邊因素。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)了解各種MCU能耗模式下可完成的處理任務(wù)。

　　ARM/8051各有優(yōu)缺選擇合適工具為開發(fā)重點(diǎn)

　　如果考量到所有這些變數(shù)后，仍然不清楚哪些MCU架構(gòu)是最好的選擇，那會(huì)如何?這表示，不管是8位元或是32位元都是很好的選擇，使用者使用哪種體系架構(gòu)都不要緊。如果沒有明確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，那么過去的經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人喜好在MCU架構(gòu)決定中也發(fā)揮很大的作用。此外，使用者也可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)去評(píng)估可能的未來專案。如果大多數(shù)未來專案更適合ARM裝置，那么選擇ARM，如果未來項(xiàng)目更側(cè)重于降低成本和尺寸，那么就選擇8051。

　　8位元MCU仍然可以為嵌入式開發(fā)人員提供許多功能，并且越來越重視物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)開發(fā)人員開始設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是確保從工具箱中獲得合適的工具。實(shí)際上的難題是，不能僅僅依賴于PowerPoint資料中的一兩個(gè)要點(diǎn)就歸納出選擇MCU架構(gòu)的結(jié)論。然而，一旦使用者有正確的資訊，并愿意花一點(diǎn)時(shí)間來實(shí)際試用產(chǎn)品，就不難作出最佳選擇。