8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多越好吗？

2021-10-20

8 位、16 位和 32 位 MCU，位越多越好吗？

MCU 中的位越多越好吗？这类似于问：内燃机 (ICE) 中的气缸越多越好吗？外设和其他功能很重要，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线比雪佛兰科尔维特与涡轮发动机V4旅行车很多大V8。当然，一旦 V8 在一百码后上链，旅行车就会干杯。但是前一百码为沃尔沃广告提供了一个很好的视觉效果。对于 MCU，总功耗、外围设备的可用性、延迟需求和其他因素都很重要，而不仅仅是位数。

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

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

“位”是“二进制数字”。在 8 位 MCU 中，数据以 8 位为一组存储，称为字节（或在某些情况下，八位字节）。一个 8 位内存寄存器可以存储可能的 2 8 个值之一。根据使用的整数表示，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 中的数据总线是 8 位宽，但地址总线的宽度可能会有所不同。12 到 16 位的地址总线宽度很常见。例如，一个 16 位宽的地址总线会产生 65,536 (2 16) 个字节（称为 64KB）。但这些分类只是开始暗示特定 8 位 MCU 的实际功能（图 2）。

图 2：8 位处理器可以提供广泛的性能能力。

8 位 MCU 是通用的；它们提供简单的编程、能源效率和小封装尺寸（有些只有六个引脚）。但是这些 MCU 通常不是为了实现网络和通信功能而设计的。最常见的网络协议和通信软件堆栈是 16 位或 32 位。某些 8 位设备可以使用通信外设，但 16 位和 32 位 MCU 通常是更有效的选择。尽管如此，8 位 MCU 通常用于各种控制、传感和接口应用。

32 位更强大

虽然 8 位处理器用途广泛，但它们的性能同样受到限制。当 8 位不够用时，设计人员可以求助于 32 位 MCU，它可以带来相当大的性能冲击。32 位 MCU 的应用范围很广，它们可以支持高端代数运算和浮点数学运算。虽然 8 位 MCU 通常仅限于几 MHz 的处理速度，但 32 位单元的时钟频率可以达到 GHz 范围，尽管几百 MHz 单元更为常见。

提高性能的同时也增加了 32 位 MCU 的编程复杂性，包括多个状态寄存器、复杂的中断管理、多层固件执行权限等。这是 32 位单元如此强大的部分原因。它们可以为需要大量数据处理的应用程序快速处理数千个复杂的计算，例如图像处理或高速系统的实时控制。此外，32 位处理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耗增加。一般来说，32 位 MCU 可以通过牺牲更高的能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 可以比 8 位 MCU 更快地完成一系列计算，然后进入更长时间的睡眠模式。那么，32位MCU是不是更节能呢？这是可能的，但不一定是真的。8 位 MCU 可以降低整体能耗，并有助于延长便携式设备的电池寿命。选择并不简单，必须根据具体情况确定最佳能耗解决方案。

有一个中间立场

回到 ICE 的类比，在 4 柱面（8 位）和 8 柱面（32 位）之间有一个中间地带；通常，6 柱面（16 位）设计可以提供恰到好处的效率和性能组合。8 位 MCU 的性能本质上是有限的，只能通过添加外设在有限的范围内提高。使用 32 位 MCU 的系统可提供更高的性能，但与替代解决方案相比，它可能会过度杀伤并消耗更多功率。

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

图 3：与 8 位器件相比，具有用于电机控制、数字电源转换、低功耗电池供电设计、高级模拟集成和硬件安全的专用外设的 16 位 MCU 可以提供性能增强。

 外围设备可能是关键。一些 16 位 MCU 具有支持密集数学计算的数学协处理器，类似于某些 32 位单元在相同时钟速度下。而且，有许多支持 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)、通用串行总线 (USB) 和 Zigbee 都是可以在 16 位 MCU 上高效运行的通信协议。与许多 32 位解决方案相比，使用 16 位 MCU 可以提供更简单的电路板实现。

添加外围设备

外设的可用性及其驻留位置可能是推动选择 8 位、16 位或 32 位的重要因素。可以选择向 8 位 MCU 添加外部通信外设。但是，添加外围芯片通常可以消除使用 8 位 MCU 的成本效益。使用已经集成了通信功能的 32 位单元会更便宜。向上扩展会发现 32 位 MCU 通常包含更多功能，并且可以比 8 位和 16 位设备更有效地处理多个外围功能。

涉及更大数量和快速计算的应用程序受益于 16 位和 32 位 MCU 的使用。可以从 16 位或 32 位 MCU 受益的示例包括 FFT 计算、高质量音频或视频、高分辨率图像处理和各种边缘计算应用。此外，机器学习和人工智能实现通常需要 32 位，通常带有特定于应用程序的加速器。

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

8 位 MCU 可以支持某些加密功能以提高安全性。但这些功能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器的负担。如果更高级别的安全功能很重要，那么使用 16 位或 32 位 MCU 可能是明智的。

总结一下——哪个 MCU 最好？

那么，越多越好吗？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的 MCU 架构。对于电池供电的设备，以最节能的方式。

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 位单元的成本可能更低，但并非总是如此。选择很复杂，取决于许多特定于应用程序的要求。在某些情况下，16 位 MCU 可能是最佳选择。

确定最佳 MCU 不一定是一个简单的问题。有时，这不仅仅是关于当今的性能要求；随着时间的推移，可能需要提供具有增长潜力的解决方案来处理更具挑战性的应用需求。例如，安全需求可以不断发展。适应未来对新的或增加的安全功能的需求的能力可能是一个重要的应用考虑因素。

如果特定应用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 32 位 MCU 通常会提供更多的 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 8 位、16 位或 32 位 MCU 可能“同样出色地”执行某些功能。但是，如果应用程序需要低延迟，则可能需要具有更快时钟速率的 16 位或 32 位处理器的速度。