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嵌入式需求不坠 8位元MCU历久不衰
8位元与32位元抉择再起

【作者: 王岫晨】2019年01月02日 星期三

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根据市调机构的分析数据指出,近年来尽管32位元MCU异军突起,然而8位元MCU每年依然占有全球MCU市场的35%以上市占率。在知名电子产品分销商Mouser的网站上,可供选择的8位元MCU数量几??可与32位元MCU相比拟。可见在32位元MCU当道之下,8位元MCU不仅没有销声匿迹,反而占有另一片天。目前包括了NXP、Microchip、ST、Silicon Labs、ADI、瑞萨、TI等半导体公司,都提供市场大量的8位元MCU选择。



图1 : 8位元MCU特色在於架构简单,因此不论是设计或验证等方面,都将更为简易。
图1 : 8位元MCU特色在於架构简单,因此不论是设计或验证等方面,都将更为简易。

8位元MCU比起32位元MCU,具有超过30年的领先优势,并且在现今的嵌入式系统中依然占据主导地位,对於8位元MCU来说,其控制能力比起处理能力更受到市场的关注。尽管过去仍有16位元MCU,然而在8位元和32位元MCU的竞争下,16位元MCU不论在规格、功能和优势等方面都受到挤压。


8位元和32位元的抉择

回顾多年前,由於价格下降加上性能提升,使得32位元MCU开始受到市场关注。这些优异的性能,加上更低的功耗,两相结合使得32位元MCU产生一种不可抗拒的吸引力,在许多传统看不到32位元的产品上,现在都纷纷可见到32位元MCU的身影,例如手表或者家电(如冰箱)等。


一个存在设计人员心中很久的疑问,8位元MCU与32位元MCU到底差异在哪里,设计时又该如何做出正确选择。众所周知,8位元MCU在物理尺寸、功耗和成本方面优於32位元MCU。设计项目本身或系统要求,将决定必须采用哪一种MCU。事实上,8位元与32位元MCU现阶段在成本方面并没有太大的不同,效能上则是一个比另一个更强大。但是,在设计时要做出正确的选择,了解两个微控制器之间的根本差异就非常重要。


在许多嵌入式设计上,8位元MCU比32位元拥有更容易设计的优势,依循8位元架构的软件和硬体比起32位元将更为简易。


一般来说,8位元MCU在任何特定时间都只能进行8位元的数据资料处理。而理论上,32位元MCU则可以处理四倍的数据量,就技术面来看,32位元MCU的确可以提高数据处理效率。但是,在8位元和32位元MCU之间进行选择,比较大的差异将会是在其资料处理的宽度。通常面对8位元和32位元MCU之间抉择的时候,考虑以下几种差异性,将有助於为设计做出最隹决策。


成本与尺寸

首先,必须先从几个层面检查系统要求。在某些情况下,很明显8位元MCU就足够了,特别是如果最终的程序只需容纳不到8KB的内存,并且预算要求很低,加上系统以及代码和数据量都很小,而且还必须兼顾到成本、物理尺寸和功耗等因素的话,那麽8位元MCU可能就足够了。


一般来说,8位元MCU的成本较低,且尺寸也小於32位元MCU,但近年来,32位元MCU的成本越来越有竞争力,换句话说,相同价格之下,采用32位元MCU可以提供更多的应用可能性。至於在整体功耗方面,处理效能较慢的8位元MCU总是会胜过更快的32位元MCU。


如果还是做不了决定的话,或许可以从这个角度来观察。基本上,在32位元MCU价格竞争力越来越强的情况下,其价格与8位元MCU越来越接近,或者可以说,8位元MCU的价格就可以买到效能更优异的32位元MCU了。


尽管32位元MCU可以透过4倍的处理速度来执行更复杂的运算,然而在获取更高运算效能的同时,却也必须付出其他代价,也就是功耗同时将会提高。要知道在嵌入式系统(特别是类似物联网这种采用电池供电的装置)中,每多一份意料之外的耗电量都会成为整体系统的庞大负担。因此,如果所设计的系统对於MCU的需求,是介於8位元与32位元之间的灰色地带,但同时又对於功耗问题特别在意的话,那麽8位元MCU的吸引力真的会令设计人员无法抗拒。


运算速度和记忆体

与8位元MCU相比,32位元MCU的主要优势之一是其更出色的处理速度。典型的8位元MCU通常以8 MHz运行,而32位元MCU的时脉频率则可达数百MHz。如果只是使用MCU来开启机械继电器,就很可能会忽略到这些数据处理时的速度差异。但是,当运行的是需要大量数据处理的应用程序时,这些速度上的差异就会变得明显。例如,每天要处理上千次工作的门禁控制器,就需要采用32位元的MCU。



图2 : 如果对於嵌入式系统的功耗问题特别在意的话,那麽8位元MCU的吸引力会令设计人员无法抗拒。
图2 : 如果对於嵌入式系统的功耗问题特别在意的话,那麽8位元MCU的吸引力会令设计人员无法抗拒。

8位元MCU的优势在於价格便宜且易於使用。事实上,在许多应用中,它们已经被使用了40年之久,却仍然非常受欢迎。但是,如果所欲处理的是需要大量内部随机存取记忆体(RAM)的工作,那麽可能就必须采用32位元MCU来替换8位元。32位元MCU的RAM通常比8位元产品多8倍。因此,例如工程师需要一个巨大的缓冲区来储存音讯数据的话,那麽32位元MCU便是最好的应用选择。


增加周边设备

通常来说,采用MCU的系统又称为嵌入式系统。嵌入式系统设计的基础,包括根据项目要求来增加所需要的周边设备。如果所需要的周边包括了乙太网路、USB、UART和控CAN总线等介面,那麽8位元MCU肯定就不太足够。在使用上8位元MCU还必须要增加这些通讯介面的晶片,这可能比采用单独的32位元MCU还要花费更多。



图3 : 如果所欲处理的是需要大量内存的工作,那麽可能就必须采用32位元MCU来替换8位元。
图3 : 如果所欲处理的是需要大量内存的工作,那麽可能就必须采用32位元MCU来替换8位元。

与8位元MCU相比,通常32位元MCU的功能更丰富。凭藉出色的处理速度,32位元MCU可以有效地处理多个外部设备。但是必须注意的是,使用32位元MCU将会消耗更多功率,尤其是在所有外部设备都开启运作时。


简单就是最大优势

8位元MCU特色在於架构简单。相较之下,处理效能更加优异的32位元MCU,却同时也背负着架构复杂的原罪。在设计上,有一个很重要的因素,就是简单。8位元MCU的简单性创造了以下几项优势:在许多嵌入式设计上,8位元比32位元拥有更容易设计的优势,依循8位元架构的软件和硬体比起32位元将更为简易。


另外,开发工具也可以是设计成败的关键,因为特定的MCU可能无法使用免费设计工具,付费工具的成本可能会高到每个几百甚至到几千美元(视设计规模而定)。因此,免费的开放工具将有很大的吸引力。而所选择的MCU社群论坛也可能影响设计的成败,因为这取决於制造商的这款MCU产品有多少使用者支持,越多使用者的社群论坛,就有更多叁考价值高的资料库文档。这对於设计的好坏与成败也具有重大的影响性。


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