微控制器（MCU）如何在物聯網設備中使用？開發人員又該如何為產品選擇最合適的MCU解決方案？Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）產品營銷高級經理Gopinath Krishniah先生將通過本篇博文說明MCU的應用知識和開發技巧，并介紹評估選用8位和32位MCU的關鍵考量。

你是否曾經驚嘆過健身追蹤器是如何記錄你走的每一步，或者洗衣機是如何感知水位的?其實是通過設備內部的MCU。它是一個集成電路上的小型計算機，包含一個或多個處理器核心（CPU）、存儲器和可編程輸入/輸出外設。這些微型芯片是一種經濟實惠且流行的數據收集、傳感和控制物理世界的手段。

MCU應用于各種系統，從汽車發動機控制和植入式醫療設備到遠程控制，辦公機器，電器，電動工具，玩具和其他嵌入式系統。它們作為一個橋梁，使通信協議和硬件抽象層能夠交互并運行所選的操作設備的RTOS/OS。

MCU常用特性

MCU是嵌入式設備的大腦，在一個很小的封裝中封裝了強大的功能。無論架構如何，所有MCU都有某些共同點:

基于位數的MCU核心架構：MCU使用的位數為8、16、32（有時稱為位深度或數據寬度）來表示寄存器的大小，如8位為每個寄存器8位，內存地址的數量28=256個地址；32位理論上可以尋址多達536MB的數據，從技術上講使其更具數據效率。

內存：MCU有兩種內存，程序存儲器（閃存）存儲在MCU上運行的代碼，而數據存儲器（RAM）存儲代碼使用的數據。

外設和通信接口：這些內置的工具讓MCU與外部世界進行交互，如感應溫度或控制電機。

安全：MCU安全對于保護固件知識產權，保護設備中的私有數據，保證服務執行至關重要。

8位MCU和市場流行的架構

自20世紀80年代以來，8位MCU一直是嵌入式開發的核心，即使32位架構變得更加普遍，也將繼續在物聯網開發中發揮重要作用。現代8位MCU的簡單性和成本效益確保它們在許多年內仍將是工程師工具箱中的關鍵工具。

下面是一些流行的8位MCU架構的例子：

PIC: 1975年由General Instruments公司開發，現在屬于Microchip公司，PIC芯片為無數玩具，遙控器和預算友好型小工具提供動力。

AVR: 由Atmel開發，深受愛好者和專業人士的喜愛，AVR芯片是Arduino板的核心，使每個人都可以使用電子產品。它們是創新的催化劑，廣泛應用于嵌入式系統。

8051: 由英特爾于1980年開發，是一個真正的老手，8051在工業應用和醫療設備中蓬勃發展，強調了簡單和可靠性的持久吸引力

芯科科技使用CIP-8051內核作為整個C8051和EFM 8位產品組合的基礎。這種流水線架構使我們能夠提高效率，超過80%的指令在單個時鐘周期內執行，使其優于其他8位MCU。芯科科技8位產品的最新成員是BB5家族，由3個系列組成：

BB52: 通用的MCU，具有更大的內存和多達29個GPIO

BB51: 這是中檔MCU，在功能和成本上取得平衡

BB50: 可提供兼具小尺寸和成本效益的平臺，即使是針對最簡單的應用

8位MCU的優勢

8位MCU比32位MCU有幾個優點。以下是一些最重要的優勢:

成本：8位MCU是預算敏感項目和設計愛好者做實驗的完美選擇。

功耗：8位MCU比32位MCU更精簡，使其成為功耗敏感型的簡單應用的理想選擇。

代碼大小：8位MCU代碼占用很小，這對于內存有限的應用程序是有利的。

易用性：8位MCU易于學習和使用。有了現成的開發工具和在線社區，用戶可以立即開始編碼。

可用性：8位MCU隨時可用，有大量選項可供選擇。無論您是構建簡單的機器人還是智能家居傳感器，8位MCU都能將想法變為現實。

8位MCU的缺點

盡管8位MCU因價格實惠和尺寸緊湊而廣受歡迎，但與高位微控制器相比，確實有一些限制。

有限的內存空間：8位微控制器的主要缺點之一是有限的內存空間，這可能給執行復雜任務或處理大量數據帶來挑戰。

處理速度：由于其有限的指令集，8位MCU在執行復雜任務或處理大量數據的能力方面受到限制。在需要實時處理或高速數據傳輸的應用程序中，這可能是一個明顯的缺點。

32位MCU和市場流行的架構

有沒有想過無人機如何捕捉驚人的航拍鏡頭，或者智能揚聲器如何完美地播放音樂？這些看似神奇的動作都是通過32位MCU實現的！32位MCU擅長處理復雜任務、處理大量數據，并支持高端代數運算和浮點數學。下面是一些流行的例子：

ARMCortex-M: ARM Cortex-M系列是專為嵌入式系統設計的32位MCU系列。是智能手機、無人機和可穿戴設備背后的強大力量。

PIC32: PIC32 MCU是由Microchip開發的32位微控制器系列。從工業自動化到機器人技術，PIC32高效地解決了苛刻的任務。

AVR32: AVR32是由Atmel開發的32位微控制器架構，將用戶友好的AVR世界帶入32位域，使其成為愛好者和專業人士的完美選擇。

RISC-V: RISC-V是開源架構，是RISC架構家族中的最新發展，具有簡單、模塊化和可擴展的特點。RISC-V架構由于其開源特性而越來越受歡迎，這允許更大的靈活性和定制。RISC-V MCU被用于各種應用，包括嵌入式系統、物聯網設備和高性能計算。

所有芯科科技提供的EFM32和EFR32第二代無線SoC平臺和MCU產品系列都使用多核Cortex-M平臺。我們的大多數Cortex-M33運行高達76.4 MHz，作為無線和應用開發的主要應用核心，而2個專用M0+核心操作無線電和安全子系統，為開發人員提供整個產品組合的一致平臺。該體系結構允許子系統獨立于應用程序核心運行，并幫助提供底層靈活性，而無需縮短開發時間，并允許產品系列之間的更多設計重用。將人工智能和機器學習（AI/ML）硬件加速添加到無線和獨立MCU中，可以減少邊緣所需的額外智能所需的時間和功耗。

32位MCU的優勢

32位微控制器比8位微控制器有幾個優點。以下是一些最重要的優勢:

處理能力：32位MCU提供高性能和較高功耗。它們比8位和16位的同類產品更快、更強大，但仍然節能。32位MCU可以處理更多的RAM和閃存，以及更高的時鐘速度。這使得它們非常適合需要高性能計算的應用程序，例如FFT計算、高質量音頻或視頻、高分辨率圖像處理以及各種邊緣計算應用程序。

內存：32位內存總線提供比8位內存總線更寬的數據路徑，允許它在單個時鐘周期內傳輸更多的數據。這導致更快的數據傳輸速率和提高整體系統性能，從而使我們能夠保存高分辨率的圖像，復雜的算法，甚至整個操作系統。

外設支持：32位MCU在外設方面有幾個優勢。它們提供更先進的通信接口，如EUSART,USB，以太網，CAN, SDMMC，集成LCD控制器等。這些外設對于許多現代應用至關重要，例如物聯網設備、汽車系統和工業自動化。32位MCU還提供更先進的模數轉換器(20位ADC)，這對于許多需要高精度測量，12位DAC，高級計時器，可編程計數器和精確集成定時組件(如高精度內部RC振蕩器)的應用至關重要，這對于許多需要精確定時和計數的應用至關重要。

編碼效率：32位MCU可以在每個周期內封裝更多指令，從而實現更快的執行速度和更低的功耗。這是因為它們每個時鐘周期可以處理更多的數據位，這意味著它們可以事半功倍。此外，32位MCU可以實現更高的代碼效率，這意味著更小的程序可以進行復雜的操作。

庫和驅動程序的可用性：準備好訪問各種庫和維護良好的驅動程序對于高效的軟件開發和無縫的硬件集成至關重要。當開發人員可以利用現有的庫和驅動程序時，它可以顯著提高生產力，并有助于創建提供更好用戶體驗的健壯應用程序。

32位MCU的缺點

雖然32位微控制器在功能和多功能性方面占據主導地位，但它們并不是一個通用的解決方案。在啟動項目之前，請考慮以下權衡：

功耗：32位架構的復雜性使得實現最佳低功耗操作比簡單的8位MCU要復雜得多。開發人員可能需要管理更復雜的能量狀態，并對外圍設備進行權衡，以達到類似的功耗指標。

復雜性：32位MCU比8位MCU更復雜，這使得它們更難以編程和調試。

代碼大小：32位MCU可能比8位MCU具有更大的代碼大小，這對于內存有限的應用程序來說可能是一個缺點。然而，代碼大小在很大程度上取決于用于產品開發的代碼優化工具。

結論：明智地選擇MCU架構和平臺

在物聯網開發領域，選擇合適的處理器平臺至關重要！8位和32位MCU都解決了不同的挑戰，并在現代物聯網發展中占有一席之地。

當談到經濟和高效時，8位MCU是冠軍！它們具有成本效益和緊湊性，是無線物聯網傳感器等簡單任務的理想選擇。與32位MCU相比，其優越的功率效率也使其成為電池供電設備的首選。

另一方面，32位MCU比8位MCU提供更大的處理能力和內存。這使得它們更適合要求更高性能和更多內存的應用程序。然而，這是以增加復雜性為代價的。

那么，誰會在物聯網領域取得勝利呢？對于基本任務和預算限制，8位MCU占據了堡壘。但是，當需要一個強大的性能來執行密集的任務時，32位MCU占據了上風。開發人員可先評估產品功能需求再做出明智的選擇。

審核編輯：黃飛

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