8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多越好嗎？

2021-10-20

8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多越好嗎？

MCU 中的位越多越好嗎？這類(lèi)似于問(wèn)：內燃機 (ICE) 中的氣缸越多越好嗎？外設和其他功能很重要，而不僅僅是位（或柱面）。例如，在20世紀80年代，沃爾沃提供與增快斷了線(xiàn)比雪佛蘭科爾維特與渦輪發(fā)動(dòng)機V4旅行車(chē)很多大V8。當然，一旦 V8 在一百碼后上鏈，旅行車(chē)就會(huì )干杯。但是前一百碼為沃爾沃廣告提供了一個(gè)很好的視覺(jué)效果。對于 MCU，總功耗、外圍設備的可用性、延遲需求和其他因素都很重要，而不僅僅是位數。

MCU 無(wú)處不在。它們存在于手機、玩具、車(chē)輛、白色家電、可再生能源系統、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備等等中。MCU 對于控制從電機到閃爍 LED 的硬件功能至關(guān)重要。MCU 的基本架構包括一個(gè)中央處理單元、一些存儲器和外圍功能（圖 1）。MCU 從傳感器、開(kāi)關(guān)和其他設備獲取輸入，并按照預編程指令的規定控制外圍設備的功能，例如顯示器、執行器和電機的驅動(dòng)器。根據所控制功能的復雜性和各種輸入所需的處理量，MCU 有 8 位、16 位和 32 位可供選擇。一般來(lái)說(shuō)，位數越多，處理潛力越大。

圖 1：MCU 由三個(gè)基本元素組成，即中央處理單元 (CPU)、存儲器和外圍功能。

“位”是“二進(jìn)制數字”。在 8 位 MCU 中，數據以 8 位為一組存儲，稱(chēng)為字節（或在某些情況下，八位字節）。一個(gè) 8 位內存寄存器可以存儲可能的 2 8 個(gè)值之一。根據使用的整數表示，實(shí)際值的范圍不同。例如，對于無(wú)符號二進(jìn)制數，范圍是 0 到 255（2 8減 1），使用二進(jìn)制補碼表示，范圍是 -128（-1 X 2 7）到 127（2 7 – 1）。雖然 8 位 MCU 中的數據總線(xiàn)是 8 位寬，但地址總線(xiàn)的寬度可能會(huì )有所不同。12 到 16 位的地址總線(xiàn)寬度很常見(jiàn)。例如，一個(gè) 16 位寬的地址總線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生 65,536 (2 16) 個(gè)字節（稱(chēng)為 64KB）。但這些分類(lèi)只是開(kāi)始暗示特定 8 位 MCU 的實(shí)際功能（圖 2）。

圖 2：8 位處理器可以提供廣泛的性能能力。

8 位 MCU 是通用的；它們提供簡(jiǎn)單的編程、能源效率和小封裝尺寸（有些只有六個(gè)引腳）。但是這些 MCU 通常不是為了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )和通信功能而設計的。最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和通信軟件堆棧是 16 位或 32 位。某些 8 位設備可以使用通信外設，但 16 位和 32 位 MCU 通常是更有效的選擇。盡管如此，8 位 MCU 通常用于各種控制、傳感和接口應用。

32 位更強大

雖然 8 位處理器用途廣泛，但它們的性能同樣受到限制。當 8 位不夠用時(shí)，設計人員可以求助于 32 位 MCU，它可以帶來(lái)相當大的性能沖擊。32 位 MCU 的應用范圍很廣，它們可以支持高端代數運算和浮點(diǎn)數學(xué)運算。雖然 8 位 MCU 通常僅限于幾 MHz 的處理速度，但 32 位單元的時(shí)鐘頻率可以達到 GHz 范圍，盡管幾百 MHz 單元更為常見(jiàn)。

提高性能的同時(shí)也增加了 32 位 MCU 的編程復雜性，包括多個(gè)狀態(tài)寄存器、復雜的中斷管理、多層固件執行權限等。這是 32 位單元如此強大的部分原因。它們可以為需要大量數據處理的應用程序快速處理數千個(gè)復雜的計算，例如圖像處理或高速系統的實(shí)時(shí)控制。此外，32 位處理器通常需要更大的內存地址空間來(lái)緩沖高帶寬數據流。

通常與 32 位 MCU 相關(guān)的更高時(shí)鐘速度也會(huì )導致能耗增加。一般來(lái)說(shuō)，32 位 MCU 可以通過(guò)犧牲更高的能耗來(lái)支持更密集的計算。但是在 8 位和 32 位之間的選擇并不是那么簡(jiǎn)單。例如，32 位 MCU 可以比 8 位 MCU 更快地完成一系列計算，然后進(jìn)入更長(cháng)時(shí)間的睡眠模式。那么，32位MCU是不是更節能呢？這是可能的，但不一定是真的。8 位 MCU 可以降低整體能耗，并有助于延長(cháng)便攜式設備的電池壽命。選擇并不簡(jiǎn)單，必須根據具體情況確定最佳能耗解決方案。

有一個(gè)中間立場(chǎng)

回到 ICE 的類(lèi)比，在 4 柱面（8 位）和 8 柱面（32 位）之間有一個(gè)中間地帶；通常，6 柱面（16 位）設計可以提供恰到好處的效率和性能組合。8 位 MCU 的性能本質(zhì)上是有限的，只能通過(guò)添加外設在有限的范圍內提高。使用 32 位 MCU 的系統可提供更高的性能，但與替代解決方案相比，它可能會(huì )過(guò)度殺傷并消耗更多功率。

這就是 16 位 MCU 的用武之地；它們可以結合 8 位單元的簡(jiǎn)單性，同時(shí)提供增強的性能而不會(huì )造成過(guò)多的功耗損失。特別是在不需要大量多線(xiàn)程和中等內存需求的應用中，16 位 MCU 可以提供最佳的中間解決方案（圖 3）。

圖 3：與 8 位器件相比，具有用于電機控制、數字電源轉換、低功耗電池供電設計、高級模擬集成和硬件安全的專(zhuān)用外設的 16 位 MCU 可以提供性能增強。

 外圍設備可能是關(guān)鍵。一些 16 位 MCU 具有支持密集數學(xué)計算的數學(xué)協(xié)處理器，類(lèi)似于某些 32 位單元在相同時(shí)鐘速度下。而且，有許多支持 16 位 MCU 的通信堆棧。例如，如果實(shí)施正確，以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng) (CAN)、通用串行總線(xiàn) (USB) 和 Zigbee 都是可以在 16 位 MCU 上高效運行的通信協(xié)議。與許多 32 位解決方案相比，使用 16 位 MCU 可以提供更簡(jiǎn)單的電路板實(shí)現。

添加外圍設備

外設的可用性及其駐留位置可能是推動(dòng)選擇 8 位、16 位或 32 位的重要因素?？梢赃x擇向 8 位 MCU 添加外部通信外設。但是，添加外圍芯片通?？梢韵褂?span> 8 位 MCU 的成本效益。使用已經(jīng)集成了通信功能的 32 位單元會(huì )更便宜。向上擴展會(huì )發(fā)現 32 位 MCU 通常包含更多功能，并且可以比 8 位和 16 位設備更有效地處理多個(gè)外圍功能。

涉及更大數量和快速計算的應用程序受益于 16 位和 32 位 MCU 的使用?？梢詮?span> 16 位或 32 位 MCU 受益的示例包括 FFT 計算、高質(zhì)量音頻或視頻、高分辨率圖像處理和各種邊緣計算應用。此外，機器學(xué)習和人工智能實(shí)現通常需要 32 位，通常帶有特定于應用程序的加速器。

另一方面，處理來(lái)自傳感器或其他來(lái)源的模擬信號不一定受益于使用 32 位或 16 位 MCU。8 位 MCU 可以包括支持 8 位、10 位、12 位甚至 16 位速率的內置模數轉換器 (ADC)。

8 位 MCU 可以支持某些加密功能以提高安全性。但這些功能通常是在硬件中實(shí)現的，這會(huì )增加成本或軟件，從而增加了相對低功耗處理器的負擔。如果更高級別的安全功能很重要，那么使用 16 位或 32 位 MCU 可能是明智的。

總結一下——哪個(gè) MCU 最好？

那么，越多越好嗎？不，不一定。這是一個(gè)復雜的決策過(guò)程（圖 4）。成功的設計確定了以最具成本效益的方式提供所需性能的 MCU 架構。對于電池供電的設備，以最節能的方式。

圖 4：8 位與 32 位 MCU 比較：8 位器件幾乎總是比 32 位設計功耗更低，雖然 8 位單元的成本可能更低，但并非總是如此。選擇很復雜，取決于許多特定于應用程序的要求。在某些情況下，16 位 MCU 可能是最佳選擇。

確定最佳 MCU 不一定是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。有時(shí)，這不僅僅是關(guān)于當今的性能要求；隨著(zhù)時(shí)間的推移，可能需要提供具有增長(cháng)潛力的解決方案來(lái)處理更具挑戰性的應用需求。例如，安全需求可以不斷發(fā)展。適應未來(lái)對新的或增加的安全功能的需求的能力可能是一個(gè)重要的應用考慮因素。

如果特定應用需要大量隨機存取存儲器 (RAM)，與 8 位甚至 16 位設備相比，使用 32 位 MCU 通常會(huì )提供更多的 RAM。在比較各種 MCU 替代方案時(shí)，延遲是另一個(gè)需要考慮的因素。使用 8 位、16 位或 32 位 MCU 可能“同樣出色地”執行某些功能。但是，如果應用程序需要低延遲，則可能需要具有更快時(shí)鐘速率的 16 位或 32 位處理器的速度。