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哪個比較好”不是個邏輯問題，反而像是在問“吉他和鋼琴哪個好”?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。
對不同的裝置進(jìn)行比較，須要對其進(jìn)行測量。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，只是簡單實(shí)現(xiàn)90%開發(fā)人員都會使用的常見代碼，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)諸多時間、精力和財力去調(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)盡心力做最佳化簡單多了。
8位元MCU功效持續(xù)精進(jìn)
在開始對架構(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做對比，8051 MCU在性能上當(dāng)然不會勝出。幸運(yùn)的是，許多供應(yīng)商一直對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。現(xiàn)代嵌入式韌體開發(fā)需要全功能IDE、現(xiàn)成的韌體庫、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、資料庫管理和量產(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，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，周邊組合將會發(fā)揮重要作用。如果需要三個UART、一個LCD控制器、四個時脈和兩個ADC，使用者可能不會在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(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。
ARM Cortex-M架構(gòu)具備統(tǒng)一的儲存模式，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和協(xié)力廠商代碼。
當(dāng)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(yàn)的韌體開發(fā)人員來說，易用性是個重要因素。
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，對成本極為敏感或僅需較小儲存容量的應(yīng)用，會更傾向于選擇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(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(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尺寸較小時的兩個主要缺點(diǎn)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?qū)嶋H上花費(fèi)許多時間而受到削弱，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/儲存架構(gòu)通常比指令寬度更為重要。試想訊號量的實(shí)現(xiàn)，一個變數(shù)需要在代碼周圍的多個不同位置進(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。隨著每次對變數(shù)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)工作的情況來說，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結(jié)構(gòu)，但簡單的計數(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。[!--empirenews.page--]
另一個原因是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裝置針對每次函式呼叫僅在堆疊上儲存返回位址(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，這會產(chǎn)生問題，因?yàn)檫@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堆疊空間很小，且完全可預(yù)測，這在RAM容量有限的MCU中至關(guān)重要。
舉個簡單的例子，試驗(yàn)者設(shè)計了以下程式，然后測量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位元組，而8051核心的堆疊僅用了十六個位元組。當(dāng)然，8051核心還靜態(tài)配置了八個位元組的RAM，總共用了二十四個位元組。在較大的系統(tǒng)中，這個差異顯得微不足道，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，配有所需的周邊，那么對于較大的系統(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。本文以下對于每種架構(gòu)更擅長的應(yīng)用進(jìn)行更詳細(xì)的分析，同時也劃分出一般原則。
影響延時因素
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核心更快。
此外，高階周邊匯流排(APB)配備的周邊也會影響延時，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)使用高頻核心時脈時，許多基于Cortex-M的MCU需要分配APB時脈，這也增加了周邊延時。
試驗(yàn)者做了個簡單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的中斷是透過I/O引腳觸發(fā)的。該中斷對引腳發(fā)出一些訊號，并根據(jù)引發(fā)中斷的引腳更新標(biāo)志，之后再量測其部分參數(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。和既有原則一致，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位元的整數(shù)資料運(yùn)算，中斷服務(wù)程式(ISR)執(zhí)行時間的優(yōu)勢將轉(zhuǎn)向ARM核心。例如，一個采用新樣本更新16位元或32位元轉(zhuǎn)動平均(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位元資料時也是非常有效的，而ARM Cortex-M核心擅長資料處理和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)樗看慰梢砸苿铀膫€位元組，而8051每次僅能夠移動一個位元組。因此，那些主要把資料從一個地方移到另一個地方(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)。
來做個簡單的實(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，這種比較才有效。未最佳化的代碼需要花費(fèi)幾倍長的時間。
這并不意味著有大量資料移動或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，或者說這種優(yōu)勢是無關(guān)緊要的。舉例來說，考慮使用UART到SPI橋接器時，該應(yīng)用花費(fèi)大部分時間在周邊之間復(fù)制資料，而ARM核心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，可能放入到一個僅有2KB儲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，而作出這個最佳的決定是簡單但卻重要的一步。
指標(biāo)為8051特殊優(yōu)勢
8051裝置不像ARM裝置般統(tǒng)一的儲存映射，而是對存取碼(Flash)、IDATA(內(nèi)部RAM)和XDATA(外部RAM)有不同的指令。為了產(chǎn)生高效的代碼，8051代碼的指標(biāo)會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。
仔細(xì)評估了解MCU使用優(yōu)勢
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)用僅僅著眼于計算或控制，該怎樣才能定義各種應(yīng)用，并計算出它的合適范圍呢?
本文考量一個由10%的32位元計算、25%的控制代碼和65%的一般代碼構(gòu)成的假定應(yīng)用時，其不能明確的歸成8或32位元類別。這個應(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。此外，8051核心在控制代碼中有中間等級的優(yōu)勢。ARM核心在32位元計算方面占上風(fēng)，但是這并非是很多應(yīng)用所重視的?？剂康剿羞@些因素，這個特殊的應(yīng)用選擇8051核心更加合適。
如果做一個細(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，那么通用代碼不會傾向于哪種架構(gòu)，并且ARM核心在計算代碼中全面占有優(yōu)勢。在這種情況下，雖然有比計算更多的控制代碼，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。[!--empirenews.page--]
功耗影響須多方考量
當(dāng)查閱資料手冊時，很容易根據(jù)功耗資料得到哪個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，但是這一評估可能會非常容易產(chǎn)生誤導(dǎo)。
工作周期(在每個電源模式上分別占用多少時間)始終占據(jù)能耗的主導(dǎo)地位。除非兩個晶片的工作周期相同，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)，通常具備更低的能耗。
假設(shè)有一個系統(tǒng)，在裝置被喚醒后添加一個16位元ADC樣本到轉(zhuǎn)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位元和32位元計算。ARM裝置將能夠進(jìn)行計算，并比8051裝置更快返回到休眠狀態(tài)，這會讓系統(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)場應(yīng)用工程師利用EFM8來解決問題，沒有簡單的指南來評估這些周邊因素。同時，系統(tǒng)設(shè)計人員還應(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，那么過去的經(jīng)驗(yàn)和個人喜好在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機(jī)會去評估可能的未來專案。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)計時，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)時間來實(shí)際試用產(chǎn)品，就不難作出最佳選擇。
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