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嵌入式需求不墜 8位元MCU歷久不衰
8位元與32位元抉擇再起

【作者: 王岫晨】   2019年01月02日 星期三

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根據市調機構的分析數據指出,近年來儘管32位元MCU異軍突起,然而8位元MCU每年依然佔有全球MCU市場的35%以上市佔率。在知名電子產品分銷商Mouser的網站上,可供選擇的8位元MCU數量幾乎可與32位元MCU相比擬。可見在32位元MCU當道之下,8位元MCU不僅沒有銷聲匿跡,反而佔有另一片天。目前包括了NXP、Microchip、ST、Silicon Labs、ADI、瑞薩、TI等半導體公司,都提供市場大量的8位元MCU選擇。



圖1 : 8位元MCU特色在於架構簡單,因此不論是設計或驗證等方面,都將更為簡易。
圖1 : 8位元MCU特色在於架構簡單,因此不論是設計或驗證等方面,都將更為簡易。

8位元MCU比起32位元MCU,具有超過30年的領先優勢,並且在現今的嵌入式系統中依然佔據主導地位,對於8位元MCU來說,其控制能力比起處理能力更受到市場的關注。儘管過去仍有16位元MCU,然而在8位元和32位元MCU的競爭下,16位元MCU不論在規格、功能和優勢等方面都受到擠壓。


8位元和32位元的抉擇

在許多嵌入式設計上,8位元MCU比32位元擁有更容易設計的優勢,依循8位元架構的軟件和硬體比起32位元將更為簡易。


回顧多年前,由於價格下降加上性能提升,使得32位元MCU開始受到市場關注。這些優異的性能,加上更低的功耗,兩相結合使得32位元MCU產生一種不可抗拒的吸引力,在許多傳統看不到32位元的產品上,現在都紛紛可見到32位元MCU的身影,例如手錶或者家電(如冰箱)等。


一個存在設計人員心中很久的疑問,8位元MCU與32位元MCU到底差異在哪裡,設計時又該如何做出正確選擇。眾所周知,8位元MCU在物理尺寸、功耗和成本方面優於32位元MCU。設計項目本身或系統要求,將決定必須採用哪一種MCU。事實上,8位元與32位元MCU現階段在成本方面並沒有太大的不同,效能上則是一個比另一個更強大。但是,在設計時要做出正確的選擇,了解兩個微控制器之間的根本差異就非常重要。


一般來說,8位元MCU在任何特定時間都只能進行8位元的數據資料處理。而理論上,32位元MCU則可以處理四倍的數據量,就技術面來看,32位元MCU的確可以提高數據處理效率。但是,在8位元和32位元MCU之間進行選擇,比較大的差異將會是在其資料處理的寬度。通常面對8位元和32位元MCU之間抉擇的時候,考慮以下幾種差異性,將有助於為設計做出最佳決策。


成本與尺寸

首先,必須先從幾個層面檢查系統要求。在某些情況下,很明顯8位元MCU就足夠了,特別是如果最終的程序只需容納不到8KB的內存,並且預算要求很低,加上系統以及代碼和數據量都很小,而且還必須兼顧到成本、物理尺寸和功耗等因素的話,那麼8位元MCU可能就足夠了。


一般來說,8位元MCU的成本較低,且尺寸也小於32位元MCU,但近年來,32位元MCU的成本越來越有競爭力,換句話說,相同價格之下,採用32位元MCU可以提供更多的應用可能性。至於在整體功耗方面,處理效能較慢的8位元MCU總是會勝過更快的32位元MCU。


如果還是做不了決定的話,或許可以從這個角度來觀察。基本上,在32位元MCU價格競爭力越來越強的情況下,其價格與8位元MCU越來越接近,或者可以說,8位元MCU的價格就可以買到效能更優異的32位元MCU了。


儘管32位元MCU可以透過4倍的處理速度來執行更複雜的運算,然而在獲取更高運算效能的同時,卻也必須付出其他代價,也就是功耗同時將會提高。要知道在嵌入式系統(特別是類似物聯網這種採用電池供電的裝置)中,每多一份意料之外的耗電量都會成為整體系統的龐大負擔。因此,如果所設計的系統對於MCU的需求,是介於8位元與32位元之間的灰色地帶,但同時又對於功耗問題特別在意的話,那麼8位元MCU的吸引力真的會令設計人員無法抗拒。


運算速度和記憶體

與8位元MCU相比,32位元MCU的主要優勢之一是其更出色的處理速度。典型的8位元MCU通常以8 MHz運行,而32位元MCU的時脈頻率則可達數百MHz。如果只是使用MCU來開啟機械繼電器,就很可能會忽略到這些數據處理時的速度差異。但是,當運行的是需要大量數據處理的應用程序時,這些速度上的差異就會變得明顯。例如,每天要處理上千次工作的門禁控制器,就需要採用32位元的MCU。



圖2 : 如果對於嵌入式系統的功耗問題特別在意的話,那麼8位元MCU的吸引力會令設計人員無法抗拒。
圖2 : 如果對於嵌入式系統的功耗問題特別在意的話,那麼8位元MCU的吸引力會令設計人員無法抗拒。

8位元MCU的優勢在於價格便宜且易於使用。事實上,在許多應用中,它們已經被使用了40年之久,卻仍然非常受歡迎。但是,如果所欲處理的是需要大量內部隨機存取記憶體(RAM)的工作,那麼可能就必須採用32位元MCU來替換8位元。32位元MCU的RAM通常比8位元產品多8倍。因此,例如工程師需要一個巨大的緩衝區來儲存音訊數據的話,那麼32位元MCU便是最好的應用選擇。


增加週邊設備

通常來說,採用MCU的系統又稱為嵌入式系統。嵌入式系統設計的基礎,包括根據項目要求來增加所需要的週邊設備。如果所需要的周邊包括了乙太網路、USB、UART和控CAN總線等介面,那麼8位元MCU肯定就不太足夠。在使用上8位元MCU還必須要增加這些通訊介面的晶片,這可能比採用單獨的32位元MCU還要花費更多。



圖3 : 如果所欲處理的是需要大量內存的工作,那麼可能就必須採用32位元MCU來替換8位元。
圖3 : 如果所欲處理的是需要大量內存的工作,那麼可能就必須採用32位元MCU來替換8位元。

與8位元MCU相比,通常32位元MCU的功能更豐富。憑藉出色的處理速度,32位元MCU可以有效地處理多個外部設備。但是必須注意的是,使用32位元MCU將會消耗更多功率,尤其是在所有外部設備都開啟運作時。


簡單就是最大優勢

8位元MCU特色在於架構簡單。相較之下,處理效能更加優異的32位元MCU,卻同時也背負著架構複雜的原罪。在設計上,有一個很重要的因素,就是簡單。8位元MCU的簡單性創造了以下幾項優勢:在許多嵌入式設計上,8位元比32位元擁有更容易設計的優勢,依循8位元架構的軟件和硬體比起32位元將更為簡易。


另外,開發工具也可以是設計成敗的關鍵,因為特定的MCU可能無法使用免費設計工具,付費工具的成本可能會高到每個幾百甚至到幾千美元(視設計規模而定)。因此,免費的開放工具將有很大的吸引力。而所選擇的MCU社群論壇也可能影響設計的成敗,因為這取決於製造商的這款MCU產品有多少使用者支持,越多使用者的社群論壇,就有更多參考價值高的資料庫文檔。這對於設計的好壞與成敗也具有重大的影響性。


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