為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)選擇最佳的MCU架構(gòu)

微控制器（MCU）如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用？開發(fā)人員又該如何為產(chǎn)品選擇最合適的MCU解決方案？本文將為您介紹MCU的應(yīng)用知識(shí)和開發(fā)技巧，并解釋評(píng)估選用8位和32位MCU的關(guān)鍵考量因素。

什么是微控制器（MCU），它們?nèi)绾卧谖锫?lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中使用？

你是否曾經(jīng)驚嘆過健身追蹤器是如何記錄你走的每一步，或者洗衣機(jī)是如何感知水位的?其實(shí)是通過設(shè)備內(nèi)部的MCU。它是在單一集成電路上構(gòu)建的小型計(jì)算機(jī)，包含一個(gè)或多個(gè)處理器內(nèi)核（CPU）、存儲(chǔ)器和可編程輸入/輸出外圍設(shè)備。這些微型芯片為數(shù)據(jù)收集、傳感和控制物理世界提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且廣受歡迎的方法。

MCU廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)，從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制和植入式醫(yī)療設(shè)備到遙控器、辦公設(shè)備、家用電器、電動(dòng)工具、玩具和其他嵌入式系統(tǒng)。它可以作為一個(gè)橋梁使通信協(xié)議和硬件抽象層交互，并且可以運(yùn)行所選的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)/操作系統(tǒng)（RTOS/OS）來操作設(shè)備。

MCU的共同特性

MCU是嵌入式設(shè)備的大腦，在一個(gè)很小的封裝中容納了強(qiáng)大的功能。無論架構(gòu)如何，所有MCU都有一些共同點(diǎn)：

? 基于位數(shù)的MCU內(nèi)核架構(gòu)：MCU所使用的位數(shù)（有時(shí)稱為位深度或數(shù)據(jù)寬度），如8、16、32，可以告訴你寄存器的大小（如8位MCU就代表每個(gè)寄存器為8位）和可存儲(chǔ)的地址數(shù)量（28=256個(gè)地址）；32位理論上可以尋址多達(dá)536MB的數(shù)據(jù)，從技術(shù)上講，這使其具有更高的數(shù)據(jù)效率。

? 存儲(chǔ)器：MCU有兩種存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器（閃存）存儲(chǔ)在MCU上運(yùn)行的代碼，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）則存儲(chǔ)代碼使用的數(shù)據(jù)。

? 外圍設(shè)備和通信接口：這些內(nèi)置的部件讓MCU與外部世界進(jìn)行交互，如感知溫度或控制電機(jī)。

? 安全性：MCU的安全性對(duì)于保護(hù)固件知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保護(hù)設(shè)備中的私有數(shù)據(jù)，保障服務(wù)執(zhí)行是至關(guān)重要的。

8位MCU和市場(chǎng)上流行的架構(gòu)

自20世紀(jì)80年代以來，8位MCU一直是嵌入式開發(fā)的核心，即使在32位架構(gòu)變得更加普遍的情況下，8位MCU仍將繼續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)代8位MCU的簡(jiǎn)易性和高成本效益確保它們?cè)谠S多年內(nèi)仍將是工程師工具箱中的重要工具。

下面是一些市場(chǎng)上流行的8位MCU架構(gòu)的例子：

? PIC：1975年由通用儀器（General Instruments）公司開發(fā)，現(xiàn)在屬于Microchip公司，PIC芯片為無數(shù)玩具、遙控器和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的小型工具提供了支持。

? AVR：由Atmel公司開發(fā)，深受設(shè)計(jì)愛好者和專業(yè)人士的喜愛。AVR芯片是Arduino板的核心，它使得電子產(chǎn)品更容易被人們獲得和使用。AVR芯片是創(chuàng)新的催化劑，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。

? 8051：由英特爾公司于1980年開發(fā)，是名副其實(shí)的"老兵"。8051在工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)，這彰顯了其在簡(jiǎn)便性和可靠性方面的持久吸引力。

芯科科技使用CIP-8051內(nèi)核作為整個(gè)C8051和EFM 8位產(chǎn)品組合的基礎(chǔ)。這種流水線架構(gòu)使我們能夠提高效率，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行超過80%的指令，這使得它們比其他8位MCU更具優(yōu)勢(shì)。芯科科技8位MCU產(chǎn)品的最新成員是BB5系列，該系列由3款產(chǎn)品組成：

? BB52：更通用的MCU，具有更大的內(nèi)存和多達(dá)29個(gè)GPIO。

? BB51：中檔MCU，在功能和成本上實(shí)現(xiàn)了很好的平衡。

? BB50：兼具小尺寸和成本效益的平臺(tái)，即使針對(duì)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用亦是如此。

8位MCU的優(yōu)勢(shì)

與32位MCU相比，8位MCU在一些方面具有優(yōu)勢(shì)。以下是幾項(xiàng)最重要的優(yōu)勢(shì):

? 成本：8位MCU是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的倡導(dǎo)者，對(duì)于預(yù)算緊張的項(xiàng)目和設(shè)計(jì)愛好者做實(shí)驗(yàn)而言是完美選擇。

? 功耗：8位MCU比32位MCU更精簡(jiǎn)，使其成為對(duì)功耗敏感的簡(jiǎn)單應(yīng)用的理想選擇。

? 代碼大小：8位MCU的代碼占用的空間很小，這對(duì)于內(nèi)存有限的應(yīng)用是有利的。

? 易用性：8位MCU易于學(xué)習(xí)和使用。利用現(xiàn)成的開發(fā)工具和在線社區(qū)，用戶可以立即開始編碼。

? 可用性：8位MCU很容易獲得，且有大量選項(xiàng)可供選擇。無論您是構(gòu)建簡(jiǎn)單的機(jī)器人還是智能家居傳感器，8位MCU都能將想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

8位MCU的缺點(diǎn)

盡管8位MCU因價(jià)格實(shí)惠和尺寸緊湊而廣受歡迎，但與高位MCU相比，確實(shí)還有一些限制。

? 有限的內(nèi)存空間：8位MCU的主要缺點(diǎn)之一是有限的內(nèi)存空間，這可能會(huì)給執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或處理大量數(shù)據(jù)帶來挑戰(zhàn)。

? 處理速度：由于其有限的指令集，8位MCU執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)或處理大量數(shù)據(jù)的能力受到了限制。在需要實(shí)時(shí)處理或高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用中，這可能是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。

32位MCU和市場(chǎng)上流行的架構(gòu)

有沒有想過無人機(jī)如何捕捉令人驚嘆的航拍鏡頭，或者智能音箱如何完美地播放喜歡的音樂？這些看似神奇的功能都是通過32位MCU實(shí)現(xiàn)的！32位MCU擅長(zhǎng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)、處理大量數(shù)據(jù)，并支持高端代數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算。

下面是一些市場(chǎng)上流行的32位MCU架構(gòu)的例子：

? ARM Cortex-M: ARM Cortex-M系列是專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的32位MCU系列，在智能手機(jī)、無人機(jī)和可穿戴設(shè)備背后提供了強(qiáng)大支撐。

? PIC32: PIC32 MCU是由Microchip公司開發(fā)的32位MCU系列。從工業(yè)自動(dòng)化到機(jī)器人，PIC32都能高效地應(yīng)對(duì)要求嚴(yán)苛的任務(wù)。

? AVR32: AVR32是由Atmel公司開發(fā)的32位微控制器架構(gòu)，其將易于使用的AVR技術(shù)帶入了32位領(lǐng)域，是設(shè)計(jì)愛好者和專業(yè)人士的完美選擇。

? RISC-V: RISC-V是一種開源架構(gòu)，是RISC架構(gòu)系列中的最新進(jìn)展，具有簡(jiǎn)單、模塊化和可擴(kuò)展等特點(diǎn)。RISC-V架構(gòu)由于其開源特性而越來越受歡迎，因?yàn)殚_源可以帶來更大的靈活性且支持定制化。RISC-V MCU被用于各種應(yīng)用，包括嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和高性能計(jì)算等。

芯科科技提供的所有EFM32和EFR32第二代MCU和無線SoC產(chǎn)品都使用了多核Cortex-M平臺(tái)。我們大多數(shù)的Cortex-M33內(nèi)核運(yùn)行頻率高達(dá)76.4 MHz，可以作為無線和應(yīng)用開發(fā)的主應(yīng)用內(nèi)核，而2個(gè)專用的M0+內(nèi)核運(yùn)行射頻和安全子系統(tǒng)，這樣可以為開發(fā)人員提供覆蓋整個(gè)產(chǎn)品組合的一致平臺(tái)。該架構(gòu)允許子系統(tǒng)獨(dú)立于應(yīng)用內(nèi)核運(yùn)行，并且在不考慮縮短開發(fā)時(shí)間的情況下有助于提供底層的靈活性，同時(shí)支持產(chǎn)品系列之間進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)重用。此外，將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）硬件加速功能添加到無線和獨(dú)立MCU中，可以減少在邊緣增加智能所需的時(shí)間和功耗。

32位MCU的優(yōu)勢(shì)

與8位MCU相比，32位MCU在一些方面具有優(yōu)勢(shì)。以下是幾項(xiàng)最重要的優(yōu)勢(shì):

? 處理能力：32位MCU旨在提供高性能和高能效。與8位和16位MCU相比，32位MCU速度更快、功能更強(qiáng)，但仍然節(jié)能。32位MCU可以處理更多的RAM和閃存，并具有更高的時(shí)鐘速度。這使得它們非常適合需要高性能計(jì)算的應(yīng)用，例如快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算、高質(zhì)量音頻或視頻、高分辨率圖像處理以及各種邊緣計(jì)算應(yīng)用。

? 內(nèi)存：與8位內(nèi)存總線相比，32位內(nèi)存總線提供了更寬的數(shù)據(jù)路徑，使其能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。這可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，并提高整體系統(tǒng)性能，從而使我們能夠保存高分辨率圖像，復(fù)雜的算法，甚至整個(gè)操作系統(tǒng)。

? 外圍設(shè)備支持：32位MCU在外圍設(shè)備方面具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它們提供更先進(jìn)的通信接口，如EUSART、USB、以太網(wǎng)、CAN、SDMMC和集成LCD控制器等。這些外圍設(shè)備對(duì)于許多現(xiàn)代應(yīng)用至關(guān)重要，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化等。32位MCU還提供更先進(jìn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（20位ADC），這對(duì)于許多需要高精度測(cè)量的應(yīng)用至關(guān)重要，以及12位DAC，高級(jí)定時(shí)器，可編程計(jì)數(shù)器和精確的集成定時(shí)元件（如高精度內(nèi)部RC振蕩器），這些對(duì)于許多需要精確定時(shí)和計(jì)數(shù)的應(yīng)用也是至關(guān)重要的。

? 編碼效率：32位MCU可以在每個(gè)周期內(nèi)包含更多指令，從而實(shí)現(xiàn)更快的執(zhí)行速度和更低的功耗。這是因?yàn)樗鼈冊(cè)诿總€(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以處理更多的數(shù)據(jù)位，意味著它們可以用更少的資源做更多的事情。此外，32位MCU可以實(shí)現(xiàn)更高的代碼效率，從而以更小的程序進(jìn)行復(fù)雜的操作。

? 庫和驅(qū)動(dòng)程序的可用性：隨時(shí)可以訪問各種庫和維護(hù)良好的驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ诟咝У能浖_發(fā)和無縫的硬件集成至關(guān)重要。當(dāng)開發(fā)人員可以利用現(xiàn)有的庫和驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就可以顯著提高工作效率，并有助于創(chuàng)建可提供更佳用戶體驗(yàn)的強(qiáng)大應(yīng)用。

32位MCU的缺點(diǎn)

雖然32位MCU在性能和多功能性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但它們并不是一種萬能的解決方案。在啟動(dòng)項(xiàng)目之前，請(qǐng)考慮以下權(quán)衡因素：

? 功耗：與簡(jiǎn)單的8位MCU相比，32位架構(gòu)更高的復(fù)雜性使得實(shí)現(xiàn)最佳的低功耗運(yùn)行要復(fù)雜得多。開發(fā)人員可能需要管理更復(fù)雜的能量狀態(tài)，并對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到類似的功耗指標(biāo)。

? 復(fù)雜性：32位MCU比8位MCU更復(fù)雜，這會(huì)使它們更難以編程和調(diào)試。

? 代碼大小：對(duì)于不太復(fù)雜的操作，32位MCU的代碼可能會(huì)比8位MCU的更大，這對(duì)于內(nèi)存有限的應(yīng)用來說可能是一個(gè)缺點(diǎn)。然而，代碼大小在很大程度上取決于產(chǎn)品開發(fā)所用的代碼優(yōu)化工具。

結(jié)論：明智地選擇MCU架構(gòu)和平臺(tái)

在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)領(lǐng)域，選擇合適的處理器平臺(tái)至關(guān)重要！8位和32位MCU解決了不同的挑戰(zhàn)，并在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中均占有一席之地。

當(dāng)談到經(jīng)濟(jì)和高效時(shí)，8位MCU無疑是佼佼者！它們具有成本效益且尺寸緊湊，是無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器等簡(jiǎn)單任務(wù)的理想選擇。與32位MCU相比，其更高的能量效率也使其成為電池供電設(shè)備的優(yōu)先選擇。

另一方面，32位MCU可以提供比8位MCU更強(qiáng)大的處理能力和內(nèi)存。這使得它們更適合需要更高性能和更大內(nèi)存的應(yīng)用。然而，這也是以增加復(fù)雜性為代價(jià)的。

那么，誰會(huì)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域取得勝利呢？對(duì)于基本的、簡(jiǎn)單的任務(wù)或者預(yù)算受限的情況，8位MCU會(huì)更合適。但是，當(dāng)需要強(qiáng)大的性能來執(zhí)行密集型任務(wù)時(shí)，32位MCU則成為最佳選擇。開發(fā)人員可以先評(píng)估產(chǎn)品功能需求再做出明智的選擇。