为物联网开发选择至佳 MCU 架构
什么是微控制器 (MCU)，它们如何在物联网设备中使用？
您是否曾惊讶于健身追踪器如何记录您的每一步或者洗衣机如何感知水位？了解通常被称为 MCU 的微控制器，这是一种革新日常设备的紧凑型计算机。MCU 是单个集成电路上的小型计算机，包含一个或多个 CPU（处理器内核）、内存和可编程输入/输出外围设备。这些微小芯片是数据收集、传感和控制物理世界的一种常用的实惠方式。
MCU 在各种系统中得以应用，从汽车发动机控制器和植入式医疗设备到遥控器、办公设备、电器、电动工具、玩具和其他嵌入式系统。它们发挥桥接作用，让通信协议和硬件抽象层能够交互并运行操作设备的所选 RTOS/OS。
微控制器的常见功能
微控制器采用微型封装，是嵌入式设备的优选大脑。所有 MCU 无论架构如何，都有某些共同点：
- 基于位数的 MCU 内核架构： MCU 使用的位数（8、16、32）（有时称为位深度或数据宽度）能够表明寄存器的大小（每个寄存器 8 位）、内存地址数（28 = 256 个地址）、32-bBit 理论上可以处理高达 536 MB 的数据，从技术上讲，这可以提高数据效率。
- 内存：MCU 有两种类型的内存。程序内存（闪存）存储 MCU 上运行的代码，而数据内存 (RAM) 存储代码使用的数据。
- 外围设备和通信接口： 这些内置工具让微控制器能够与外界进行交互，如感应温度或控制电机。安全：对于保护固件知识产权、保护设备中的私有数据以及保证服务执行来说，MCU 安全性至关重要。
什么是 8 位 MCU 以及一些常用 8 位 MCU 架构的示例
自 20 世纪 80 年代以来，8 位 MCU 一直是嵌入式开发的核心，即使在 32 位架构变得越来越普遍的情况下，仍然在物联网开发中继续发挥重要作用。现代 8 位 MCU 的简单性和成本效益属性确保了它们多年来仍将是工程师工具箱中的关键工具。
以下是一些常用的 8 位 MCU 架构示例：
- PIC： PIC 芯片由 General Instruments 于 1975 年开发，现在是 Microchip Technology 的专有产品，为无数玩具、遥控器和经济实用的小工具提供动力。
- AVR：AVR 芯片由 Atmel 开发，深受业余爱好者和专业人士的喜爱，是 Arduino 板的核心元件，让每个人都可以使用电子产品。它们是创新的催化剂，广泛应用于嵌入式系统。
- 8051： 由真正的资深人士 Intel 于 1980 年开发，在工业应用和医疗设备领域 8051 蓬勃发展，突出了简单性和可靠性的持久吸引力
Silicon Labs 已将该 CIP-8051 内核用作整个 C8051 和 EFM 8 位产品组合的基础元件。这种流水线式架构让我们能够提高效率，超过 80% 的指令在单个时钟周期内执行，使其比其他 8 位 MCU 更具优势。Silicon Labs 8 位产品的新成员是 BB5 8 位微控制器系列，该系列包含 3 种变体：
- BB52: 更通用的 MCU，具有更大的内存和多达 29 个 GPIO
- BB51: 中端 MCU，在功能和成本方面都是一个很好的折衷方案
- BB50: 即使是很简单的应用，也是一个小型经济的平台
8 位 MCU 的优势
8 位微控制器比 32 位微控制器具有若干优势。以下是一些重要优势：
- 成本： 8 位 MCU 倡导经济实惠，非常适合需要精打细算的项目和业余爱好者的实验。
- 功耗： 8 位 MCU 的复杂性远低于其 32 位同类产品，使其成为对功耗来说至关重要的简单应用的理想选择。
- 代码大小： 8 位 MCU 的代码占用空间小，这对于内存有限的应用来说十分有利。
- 易于使用：8 位 MCU 易于学习和使用。借助现成的开发工具和在线社区，用户可以立即开始编码。
- 供应情况： 8 位 MCU 随时可用，有大量选项可供选择。无论您是在构建简单的机器人还是智能家居传感器，8 位 MCU 都能将创意变为现实。
8 位 MCU 的缺点
尽管在经济性和紧凑尺寸方面很受欢迎，但与位数更多的微控制器相比，8 位微控制器确实存在一些限制。
- 有限的内存空间：8 位微控制器的主要缺点之一是有限的内存空间，这可能会给执行复杂任务或处理大量数据带来挑战。
- 处理速度： 由于指令集有限，8 位 MCU 执行复杂任务或处理大量数据的能力可能受到限制。这在需要实时处理或高速数据传输的应用中可能是一个重大缺点。
32 位 MCU 和常用的 32 位 MCU 架构是什么？
有没有想过您的无人机如何拍摄令人惊叹的空中影像或者您的智能扬声器如何毫无瑕疵地播放您最喜欢的音乐？这些看似神奇的壮举是通过 32 位微控制器实现的！请将这些微控制器视作技术世界的强大引擎，它们擅长完成复杂任务、处理大量数据并支持高端代数运算和浮点数学。以下是一些常用的 32 位 MCU 架构示例：
- ARM Cortex-M：ARM Cortex-M 系列是专为嵌入式系统设计的 32 位微控制器系列。是智能手机、无人机和可穿戴设备背后的有力推手。
- PIC32： PIC32 微控制器是由 Microchip Technology 开发的 32 位微控制器系列。从工业自动化到机器人，PIC32 能够高效应对棘手任务。
- AVR32： AVR32 是由 Atmel 开发的 32 位微控制器架构，将对用户友好的 AVR 世界引入 32 位领域，让其成为业余爱好者和专业人士的理想选择。
- RISC-V： RISC-V 是开源架构 (ISA)，是 RISC 架构系列的新开发产品，旨在实现简单化、模块化和可扩展性。RISC-V 架构因其开源性质而越来越受欢迎，开源性质支持实现更大的灵活性和定制能力。RISC-V MCU 用于各种应用，包括嵌入式系统、物联网设备和高性能计算。
所有 EFM32 和 EFR32 系列 2 无线 SoC 和 MCU 均使用多核 Cortex-M 平台。我们运行速度高达 76.4 MHz 的 Cortex M33 中的大多数作为无线和应用开发的主要应用内核，而 2 专属 M0+ 内核则运行无线电和安全子系统，为开发人员提供涵盖整个产品组合的统一平台。这种架构允许子系统独立于应用内核运行，并有助于提供潜在的灵活性，而不受开发时间缩短的影响，并允许产品系列设计之间的更多重复使用。为无线和独立 MCU 添加 AI/ML 硬件加速可减少边缘所需的额外智能需要的时间和功耗。
32 位 MCU 的优势
32 位微控制器比 8 位微控制器具有若干优势。以下是一些重要优势：
- 处理能力： 32 位 MCU 旨在提供高性能和功率效率。它们比 8 位和 16 位的同类产品更快、更强大，但仍然节能。32 位 MCU 可以处理更多的 RAM、闪存以及更高的时钟频率。这使其非常适合需要高性能计算的应用，例如 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。
- 内存：32 位内存总线提供比 8 位内存总线更宽的数据路径，使其能够在单个时钟周期内传输更多数据。这可以提高数据传输速率、提升整体系统性能，从而使我们能够保存高分辨率图像、复杂算法甚至整个操作系统。
- 支持外围设备： 32 位 MCU 在外围设备方面具有多种优势。它们提供更先进的通信接口，如 EUSART、USB、以太网和 CAN、SDMMC、集成 LCD 控制器等。这些外围设备对于许多现代应用（如物联网设备、汽车系统和工业自动化）至关重要。 32 位 MCU 还提供对需要高精度测量的应用程序至关重要的更先进的 AD 转换器（20 位 ADC）、12 位 DAC、高级定时器、可编程计数器以及精确集成计时组件（如高精度内部 RC 振荡器，这是需要精确计时和计数的许多应用不可或缺的组件）。
- 编码效率： 32 位 MCU 可以在每个周期中打包更多指令，从而加快执行速度并降低功耗。这是因为它们可以在每个时钟周期处理更多的数据位，从而可以用更少的资源做更多的事情。此外，32 位 MCU 可实现卓越的代码效率，结果转化为以更小的程序处理复杂操作。
- 库和驱动程序的可用性： 随时访问各种库和维护良好的驱动程序是确保实现高效的软件开发和无缝硬件集成的关键。如果开发人员可以利用现有的库和驱动程序，就可以显著提高生产力，并有助于创建带来更好用户体验的强大应用。
32 位 MCU 的缺点
虽然 32 位微控制器在功率和多功能性方面占据主导地位，但它们并不是万能的解决方案。在为项目提供技术支持之前，请权衡以下利弊：
- 功耗： 32 位架构的复杂性使得实现至佳低功耗操作比简单的 8 位 MCU 复杂得多。开发人员可能需要管理更复杂的能量状态并对外围设备进行权衡，以达到类似的功耗指标。
- 复杂程度：32 位 MCU 比 8 位 MCU 更复杂，这可能使它们更难以编程和调试。
- 代码大小： 对不太复杂的操作来说， 32 位 MCU 的代码大小可能比 8 位 MCU 大，这对于内存有限的应用来说可能是一个缺点。但代码大小在很大程度上取决于用于产品开发的代码优化工具。
结语：明智地选择您的微控制器架构和平台
在物联网开发领域，选择合适的处理器平台至关重要！8 位和 32 位 MCU 解决了不同的难题，在现代物联网开发中各自占有一席之地
在经济性和效率方面， 8 位 MCU 是至佳选择！它们具有成本效益和紧凑性，是无线物联网传感器等简单任务的理想选择。它们比 32 位 MCU 具有卓越的功率效率，也使其成为电池供电设备的优选。
另一方面， 32 位 MCU 的处理能力和内存高于 8 位 MCU。这使得它们更适合要求更高性能和更多内存的应用。但这需要权衡复杂性增大这一因素。
那么，哪一种会在物联网领域取胜呢？对于基本任务和有预算限制的项目，8 位 MCU 有优势。但当需要强大的性能来执行密集型任务时，32 位 MCU 会赢得桂冠。明智地选择，您的互联世界取决于这一点。
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