8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多(duō)越好吗？

2021-10-20

8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多(duō)越好吗？

MCU 中的位越多(duō)越好吗？这类似于问：内燃机 (ICE) 中的气缸越多(duō)越好吗？外设和其他(tā)功能(néng)很(hěn)重要，而不仅仅是位（或柱面）。例如，在20世纪80年代，沃尔沃提供与增快断了線(xiàn)比雪(xuě)佛兰科(kē)尔维特与涡轮发动机V4旅行車(chē)很(hěn)多(duō)大V8。当然，一旦 V8 在一百码后上链，旅行車(chē)就会干杯。但是前一百码為(wèi)沃尔沃广告提供了一个很(hěn)好的视觉效果。对于 MCU，总功耗、外围设备的可(kě)用(yòng)性、延迟需求和其他(tā)因素都很(hěn)重要，而不仅仅是位数。

MCU 无处不在。它们存在于手机、玩具、車(chē)辆、白色家電(diàn)、可(kě)再生能(néng)源系统、物(wù)联网 (IoT) 设备等等中。MCU 对于控制从電(diàn)机到闪烁 LED 的硬件功能(néng)至关重要。MCU 的基本架构包括一个中央处理(lǐ)单元、一些存储器和外围功能(néng)（图 1）。MCU 从传感器、开关和其他(tā)设备获取输入，并按照预编程指令的规定控制外围设备的功能(néng)，例如显示器、执行器和電(diàn)机的驱动器。根据所控制功能(néng)的复杂性和各种输入所需的处理(lǐ)量，MCU 有(yǒu) 8 位、16 位和 32 位可(kě)供选择。一般来说，位数越多(duō)，处理(lǐ)潜力越大。

图 1：MCU 由三个基本元素组成，即中央处理(lǐ)单元 (CPU)、存储器和外围功能(néng)。

“位”是“二进制数字”。在 8 位 MCU 中，数据以 8 位為(wèi)一组存储，称為(wèi)字节（或在某些情况下，八位字节）。一个 8 位内存寄存器可(kě)以存储可(kě)能(néng)的 2 8 个值之一。根据使用(yòng)的整数表示，实际值的范围不同。例如，对于无符号二进制数，范围是 0 到 255（2 8减 1），使用(yòng)二进制补码表示，范围是 -128（-1 X 2 7）到 127（2 7 – 1）。虽然 8 位 MCU 中的数据总線(xiàn)是 8 位宽，但地址总線(xiàn)的宽度可(kě)能(néng)会有(yǒu)所不同。12 到 16 位的地址总線(xiàn)宽度很(hěn)常见。例如，一个 16 位宽的地址总線(xiàn)会产生 65,536 (2 16) 个字节（称為(wèi) 64KB）。但这些分(fēn)类只是开始暗示特定 8 位 MCU 的实际功能(néng)（图 2）。

图 2：8 位处理(lǐ)器可(kě)以提供广泛的性能(néng)能(néng)力。

8 位 MCU 是通用(yòng)的；它们提供简单的编程、能(néng)源效率和小(xiǎo)封装尺寸（有(yǒu)些只有(yǒu)六个引脚）。但是这些 MCU 通常不是為(wèi)了实现网络和通信功能(néng)而设计的。最常见的网络协议和通信软件堆栈是 16 位或 32 位。某些 8 位设备可(kě)以使用(yòng)通信外设，但 16 位和 32 位 MCU 通常是更有(yǒu)效的选择。尽管如此，8 位 MCU 通常用(yòng)于各种控制、传感和接口应用(yòng)。

32 位更强大

虽然 8 位处理(lǐ)器用(yòng)途广泛，但它们的性能(néng)同样受到限制。当 8 位不够用(yòng)时，设计人员可(kě)以求助于 32 位 MCU，它可(kě)以带来相当大的性能(néng)冲击。32 位 MCU 的应用(yòng)范围很(hěn)广，它们可(kě)以支持高端代数运算和浮点数學(xué)运算。虽然 8 位 MCU 通常仅限于几 MHz 的处理(lǐ)速度，但 32 位单元的时钟频率可(kě)以达到 GHz 范围，尽管几百 MHz 单元更為(wèi)常见。

提高性能(néng)的同时也增加了 32 位 MCU 的编程复杂性，包括多(duō)个状态寄存器、复杂的中断管理(lǐ)、多(duō)层固件执行权限等。这是 32 位单元如此强大的部分(fēn)原因。它们可(kě)以為(wèi)需要大量数据处理(lǐ)的应用(yòng)程序快速处理(lǐ)数千个复杂的计算，例如图像处理(lǐ)或高速系统的实时控制。此外，32 位处理(lǐ)器通常需要更大的内存地址空间来缓冲高带宽数据流。

通常与 32 位 MCU 相关的更高时钟速度也会导致能(néng)耗增加。一般来说，32 位 MCU 可(kě)以通过牺牲更高的能(néng)耗来支持更密集的计算。但是在 8 位和 32 位之间的选择并不是那么简单。例如，32 位 MCU 可(kě)以比 8 位 MCU 更快地完成一系列计算，然后进入更長(cháng)时间的睡眠模式。那么，32位MCU是不是更节能(néng)呢(ne)？这是可(kě)能(néng)的，但不一定是真的。8 位 MCU 可(kě)以降低整體(tǐ)能(néng)耗，并有(yǒu)助于延長(cháng)便携式设备的電(diàn)池寿命。选择并不简单，必须根据具體(tǐ)情况确定最佳能(néng)耗解决方案。

有(yǒu)一个中间立场

回到 ICE 的类比，在 4 柱面（8 位）和 8 柱面（32 位）之间有(yǒu)一个中间地带；通常，6 柱面（16 位）设计可(kě)以提供恰到好处的效率和性能(néng)组合。8 位 MCU 的性能(néng)本质上是有(yǒu)限的，只能(néng)通过添加外设在有(yǒu)限的范围内提高。使用(yòng) 32 位 MCU 的系统可(kě)提供更高的性能(néng)，但与替代解决方案相比，它可(kě)能(néng)会过度杀伤并消耗更多(duō)功率。

这就是 16 位 MCU 的用(yòng)武之地；它们可(kě)以结合 8 位单元的简单性，同时提供增强的性能(néng)而不会造成过多(duō)的功耗损失。特别是在不需要大量多(duō)線(xiàn)程和中等内存需求的应用(yòng)中，16 位 MCU 可(kě)以提供最佳的中间解决方案（图 3）。

图 3：与 8 位器件相比，具有(yǒu)用(yòng)于電(diàn)机控制、数字電(diàn)源转换、低功耗電(diàn)池供電(diàn)设计、高级模拟集成和硬件安全的专用(yòng)外设的 16 位 MCU 可(kě)以提供性能(néng)增强。

 外围设备可(kě)能(néng)是关键。一些 16 位 MCU 具有(yǒu)支持密集数學(xué)计算的数學(xué)协处理(lǐ)器，类似于某些 32 位单元在相同时钟速度下。而且，有(yǒu)许多(duō)支持 16 位 MCU 的通信堆栈。例如，如果实施正确，以太网、控制器局域网 (CAN)、通用(yòng)串行总線(xiàn) (USB) 和 Zigbee 都是可(kě)以在 16 位 MCU 上高效运行的通信协议。与许多(duō) 32 位解决方案相比，使用(yòng) 16 位 MCU 可(kě)以提供更简单的電(diàn)路板实现。

添加外围设备

外设的可(kě)用(yòng)性及其驻留位置可(kě)能(néng)是推动选择 8 位、16 位或 32 位的重要因素。可(kě)以选择向 8 位 MCU 添加外部通信外设。但是，添加外围芯片通常可(kě)以消除使用(yòng) 8 位 MCU 的成本效益。使用(yòng)已经集成了通信功能(néng)的 32 位单元会更便宜。向上扩展会发现 32 位 MCU 通常包含更多(duō)功能(néng)，并且可(kě)以比 8 位和 16 位设备更有(yǒu)效地处理(lǐ)多(duō)个外围功能(néng)。

涉及更大数量和快速计算的应用(yòng)程序受益于 16 位和 32 位 MCU 的使用(yòng)。可(kě)以从 16 位或 32 位 MCU 受益的示例包括 FFT 计算、高质量音频或视频、高分(fēn)辨率图像处理(lǐ)和各种边缘计算应用(yòng)。此外，机器學(xué)习和人工智能(néng)实现通常需要 32 位，通常带有(yǒu)特定于应用(yòng)程序的加速器。

另一方面，处理(lǐ)来自传感器或其他(tā)来源的模拟信号不一定受益于使用(yòng) 32 位或 16 位 MCU。8 位 MCU 可(kě)以包括支持 8 位、10 位、12 位甚至 16 位速率的内置模数转换器 (ADC)。

8 位 MCU 可(kě)以支持某些加密功能(néng)以提高安全性。但这些功能(néng)通常是在硬件中实现的，这会增加成本或软件，从而增加了相对低功耗处理(lǐ)器的负担。如果更高级别的安全功能(néng)很(hěn)重要，那么使用(yòng) 16 位或 32 位 MCU 可(kě)能(néng)是明智的。

总结一下——哪个 MCU 最好？

那么，越多(duō)越好吗？不，不一定。这是一个复杂的决策过程（图 4）。成功的设计确定了以最具成本效益的方式提供所需性能(néng)的 MCU 架构。对于電(diàn)池供電(diàn)的设备，以最节能(néng)的方式。

图 4：8 位与 32 位 MCU 比较：8 位器件几乎总是比 32 位设计功耗更低，虽然 8 位单元的成本可(kě)能(néng)更低，但并非总是如此。选择很(hěn)复杂，取决于许多(duō)特定于应用(yòng)程序的要求。在某些情况下，16 位 MCU 可(kě)能(néng)是最佳选择。

确定最佳 MCU 不一定是一个简单的问题。有(yǒu)时，这不仅仅是关于当今的性能(néng)要求；随着时间的推移，可(kě)能(néng)需要提供具有(yǒu)增長(cháng)潜力的解决方案来处理(lǐ)更具挑战性的应用(yòng)需求。例如，安全需求可(kě)以不断发展。适应未来对新(xīn)的或增加的安全功能(néng)的需求的能(néng)力可(kě)能(néng)是一个重要的应用(yòng)考虑因素。

如果特定应用(yòng)需要大量随机存取存储器 (RAM)，与 8 位甚至 16 位设备相比，使用(yòng) 32 位 MCU 通常会提供更多(duō)的 RAM。在比较各种 MCU 替代方案时，延迟是另一个需要考虑的因素。使用(yòng) 8 位、16 位或 32 位 MCU 可(kě)能(néng)“同样出色地”执行某些功能(néng)。但是，如果应用(yòng)程序需要低延迟，则可(kě)能(néng)需要具有(yǒu)更快时钟速率的 16 位或 32 位处理(lǐ)器的速度。