8位還是32位，微處理器怎么選？

正如汽車(chē)代替了馬車(chē)，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(lái)8位元MCU朝向32位元MCU發(fā)展將會(huì )成為現實(shí)，但目前還沒(méi)那么容易實(shí)現。事實(shí)證明8位元MCU和32位元MCU仍是互補的技術(shù)，在一些方面各有千秋，而在其它方面的表現卻同樣出色。這其中的竅門(mén)在于厘清何種應用適合哪種MCU架構。

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架構的指南使用。

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

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

對不同的裝置進(jìn)行比較，須要對其進(jìn)行測量。有很多建構工具可供選擇，本文盡量選擇一些認為能夠進(jìn)行最公平的比較，且最能代表開(kāi)發(fā)人員真實(shí)體驗的情境。

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

此一比較試驗并不為任何一種裝置的代碼最佳化，只是簡(jiǎn)單實(shí)現90%開(kāi)發(fā)人員都會(huì )使用的常見(jiàn)代碼，并呈現普通開(kāi)發(fā)人員所見(jiàn)到的結果，而不是理想狀態(tài)下的結果。當然，花費諸多時(shí)間、精力和財力去調整8051代碼使其表現勝過(guò)ARM是可能的，反之亦然，但一開(kāi)始就選擇適合該項工作的最佳工具比費盡心力做最佳化簡(jiǎn)單多了。

8位元MCU功效持續精進(jìn)

在開(kāi)始對架構進(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A(yíng)RM Cortex-M0+處理器的現代MCU與30年前的8051 MCU做對比，8051 MCU在性能上當然不會(huì )勝出。幸運的是，許多供應商一直對8位元處理器持續投資。

例如芯科實(shí)驗室(Silicon Labs)正持續更新基于8051核心的EFM8 MCU產(chǎn)品線(xiàn)，其效能比原始的8051架構更高，而且開(kāi)發(fā)過(guò)程也已實(shí)現現代化。所以在許多應用中，8位元核心能夠容易彌補比M0+或M3核心不利的地方，甚至在一些方面性能更佳。

開(kāi)發(fā)工具也很重要?，F代嵌入式韌體開(kāi)發(fā)需要全功能IDE、現成的韌體庫、豐富的范例、完整的評估和入門(mén)套件，以及助手應用，以簡(jiǎn)化硬體設定、資料庫管理和量產(chǎn)編程之類(lèi)的工作。當MCU有了現代化的8位元核心和開(kāi)發(fā)環(huán)境時(shí)，在很多情況下，這樣的MCU將超越基于A(yíng)RM-Cortex的類(lèi)似MCU。

以系統規模選擇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規模(》64KB代碼)，而8051裝置適用于較小的系統規模(《8KB代碼)。中等規模的系統可以選擇兩種方式，這取決于系統要執行的任務(wù)。須要注意的是，在大多數情況下，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

對于中等規模的系統來(lái)說(shuō)，使用任何一種架構都可以完成工作。但主要須考量是選擇ARM核心帶來(lái)的易用性，還是8051裝置帶來(lái)的成本和物理尺寸優(yōu)勢。

ARM Cortex-M架構具備統一的儲存模式，并在所有常見(jiàn)編譯器中支援完整的C99，這使得該架構非常易于寫(xiě)韌體。此外，還可得到一系列資料庫和協(xié)力廠(chǎng)商代碼。

當然，這種易用性的代價(jià)就是成本。對于高復雜性、上市時(shí)間較短的應用或缺乏經(jīng)驗的韌體開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，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。使用者經(jīng)常會(huì )發(fā)現內建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中，儲存容量小的MCU能夠讓系統開(kāi)發(fā)人員獲得顯著(zhù)的成本降低。因此，對成本極為敏感或僅需較小儲存容量的應用，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。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。

晶片級封裝(CSP)的8位元和32位元架構之間的差異較小，但卻使成本增加，且組裝較難。對于空間嚴格受限的應用來(lái)說(shuō)，通常須要選擇8051裝置來(lái)滿(mǎn)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，這允許系統采用更少資源實(shí)現。系統越大，這種影響就越小。

然而，這種8位元儲存資源的優(yōu)勢并不總是如此，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位元運算在A(yíng)RM 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A(yíng)RM架構上有更高的執行效率。

ARM架構在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使用的可預測性。首要也是最明顯的問(wèn)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)勢因實(shí)際上花費許多時(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位元運算就是這樣一個(gè)范例。以實(shí)踐來(lái)說(shuō)，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的系統中，ARM架構的載入/儲存架構通常比指令寬度更為重要。試想訊號量的實(shí)現，一個(gè)變數需要在代碼周?chē)亩鄠€(gè)不同位置進(jìn)行減量(分配)或者增量(釋放)。ARM核心必須將變數載入到暫存器，對其進(jìn)行操作并重新儲存，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(zhù)每次對變數完成工作量的增大，由載入/儲存而產(chǎn)生的消耗就變得微不足道。但對于每次僅完成一點(diǎn)工作的情況來(lái)說(shuō)，載入/儲存能產(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體中并非常見(jiàn)結構，但簡(jiǎn)單的計數器和標志卻廣泛應用于控制導向的應用中并發(fā)揮相同的作用。許多常見(jiàn)的MCU代碼都屬于這一類(lèi)型。