探索IoT應(yīng)用中對(duì)于8位、32位MCU的選擇

　　延時(shí)

　　兩種架構(gòu)的中斷和函數(shù)調(diào)用延時(shí)存在很大差異，8051比ARM Cortex-M內(nèi)核更快。此外，高級(jí)外設(shè)總線(APB)配備的外設(shè)也會(huì)影響延時(shí)，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)必須通過(guò)APB和AMBA高性能總線(AHB)傳輸。最后，當(dāng)使用高頻內(nèi)核時(shí)鐘時(shí)，許多基于Cortex-M的MCU需要分配APB時(shí)鐘，這也增加了外設(shè)延時(shí)。

　　我做了個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的中斷是通過(guò)I/O引腳觸發(fā)的。該中斷對(duì)引腳發(fā)出一些信號(hào)，并根據(jù)引發(fā)中斷的引腳更新標(biāo)志。然后我測(cè)量了一些參數(shù)，如下表所示。這里的列表顯示了32位的實(shí)現(xiàn)。

　　8051內(nèi)核在中斷服務(wù)程序(ISR)進(jìn)入和退出時(shí)顯示出優(yōu)勢(shì)。但是，隨著中斷服務(wù)程序(ISR)越來(lái)越大和執(zhí)行時(shí)間的增加，這些延遲將變得微不足道。和已有原則一致，系統(tǒng)越大，8051的優(yōu)勢(shì)越小。此外，如果中斷服務(wù)程序(ISR)涉及到大量數(shù)據(jù)遷移或大于8位的整數(shù)數(shù)據(jù)運(yùn)算，中斷服務(wù)程序(ISR)執(zhí)行時(shí)間的優(yōu)勢(shì)將轉(zhuǎn)向ARM內(nèi)核。例如，一個(gè)采用新樣本更新16位或32位移動(dòng)平均的ADC ISR可能在ARM設(shè)備上執(zhí)行的更快。

　　控制vs.處理

　　8051內(nèi)核的基本功能是控制代碼，其中對(duì)于變量的訪問(wèn)是分散的，并且使用了許多控制邏輯(if、case等)。8051內(nèi)核在處理8位數(shù)據(jù)時(shí)也是非常有效的，而ARM Cortex-M內(nèi)核擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理和32位運(yùn)算。此外，32位數(shù)據(jù)通道使得ARM MCU復(fù)制大包的數(shù)據(jù)更加有效，因?yàn)樗看慰梢砸苿?dòng)4個(gè)字節(jié)，而8051每次僅能夠移動(dòng)1個(gè)字節(jié)。因此，那些主要把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方(例如UART到CRC或者到USB)的流數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用更適合選擇基于ARM處理器的系統(tǒng)。

　　來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。我們編譯以下兩種架構(gòu)的函數(shù)，變量大小為uint8_t、uint16_t和uint32_t。

　　uint32_t funcB(uint32_t testA, uint32_t testB){

　　return (testA * testB)/(testA—testB)

　　}

　　|data type | 32bit(-o3) | 8bit |

　　| uint8_t | 20 | 13 | bytes

　　| uint16_t | 20 | 20 | bytes

　　| uint32_t | 16 | 52 | bytes

　　隨著數(shù)據(jù)量的增加，8051內(nèi)核需要越來(lái)越多的代碼來(lái)完成這項(xiàng)工作，最終超過(guò)了ARM函數(shù)的大小。16位的情況下在代碼大小上幾乎類(lèi)似，在執(zhí)行速度上稍好于32位內(nèi)核，因?yàn)橄嗤a通常需要更少周期。還有一點(diǎn)很重要，那就是要注意到，只有采用優(yōu)化的ARM編譯代碼時(shí)，這種比較才有效。未優(yōu)化的代碼需要花費(fèi)幾倍長(zhǎng)的時(shí)間。

　　這并不意味著有大量數(shù)據(jù)移動(dòng)或32位運(yùn)算的應(yīng)用不應(yīng)該選擇8051內(nèi)核完成。在許多情況下，其它方面的考慮將超過(guò)ARM內(nèi)核的效率優(yōu)勢(shì)，或者說(shuō)這種優(yōu)勢(shì)是不相關(guān)的?？紤]使用UART到SPI橋接器。該應(yīng)用花費(fèi)大部分時(shí)間在外設(shè)之間復(fù)制數(shù)據(jù)，而ARM內(nèi)核會(huì)更高效地完成該任務(wù)。然而，這也是一個(gè)非常小的應(yīng)用，可能小到足以放入一個(gè)僅有2KB存儲(chǔ)容量的器件就足夠合適。

　　盡管8051內(nèi)核效率較低，但它仍然有足夠的處理能力去處理該應(yīng)用中的高數(shù)據(jù)速率。對(duì)于ARM設(shè)備來(lái)說(shuō)，可用的額外周期可能處于空閑循環(huán)或“WFI”(等待中斷)，等待下一個(gè)可用的數(shù)據(jù)片到來(lái)。在這種情況下，8051內(nèi)核仍然最有意義，因?yàn)轭~外的CPU周期是微不足道的，而較小的flash封裝會(huì)節(jié)約成本。如果我們要利用額外的周期去做些有意義的工作，那么額外的效率將是至關(guān)重要的，且效率越高越可能越有利于ARM內(nèi)核。這個(gè)例子說(shuō)明，清楚被開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所關(guān)注的環(huán)境中的各種架構(gòu)優(yōu)勢(shì)是何等重要。作出這個(gè)最佳的決定是簡(jiǎn)單但卻重要的一步。

　　指針

　　8051設(shè)備沒(méi)有像ARM設(shè)備那樣的統(tǒng)一的存儲(chǔ)映射，而是對(duì)訪問(wèn)代碼(Flash)、IDATA(內(nèi)部RAM)和XDATA(外部RAM)有不同的指令。為了生成高效的代碼，8051代碼的指針會(huì)說(shuō)明它指向什么空間。然而，在某些情況下，我們使用通用指針，可以指向任何空間，但是這種類(lèi)型的指針是低效的訪問(wèn)。例如，將指針指向緩沖區(qū)并將該緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸出到UART的函數(shù)。如果指針是XDATA指針，那么XDATA數(shù)組能被發(fā)送到UART，但在代碼空間中的數(shù)組首先需要被復(fù)制到XDATA。通用指針能同時(shí)指向代碼和XDATA空間，但速度較慢，并且需要更多的代碼來(lái)訪問(wèn)。

　　專(zhuān)用區(qū)域指針在大多情況下能發(fā)揮作用，但是通用指針在編寫(xiě)使用情況未知的可重用代碼時(shí)非常靈活。如果這種情況在應(yīng)用中很常見(jiàn)，那么8051就失去了其效率優(yōu)勢(shì)。

　　通過(guò)選擇完成工作

　　我已經(jīng)注意到多次，運(yùn)算傾向于選擇ARM，而控制傾向于選擇8051，但沒(méi)有應(yīng)用僅僅著眼于計(jì)算或控制。我們?cè)鯓硬拍鼙碚鲝V義上的應(yīng)用，并計(jì)算出它的合適范圍呢?

　　讓我們考慮一個(gè)由10%的32位計(jì)算、25%的控制代碼和65%的一般代碼構(gòu)成的假定的應(yīng)用時(shí)，它不能明確的歸于8或32位類(lèi)別。這個(gè)應(yīng)用也更注重代碼空間而不是執(zhí)行速度，因?yàn)樗⒉恍枰锌捎肕IPS，并且必須為成本進(jìn)行優(yōu)化。成本比應(yīng)用速度更為重要的事實(shí)在一般代碼情形下將給8051內(nèi)核帶來(lái)微弱優(yōu)勢(shì)。此外，8051內(nèi)核在控制代碼中有中間等級(jí)的優(yōu)勢(shì)。ARM內(nèi)核在32位計(jì)算上占上風(fēng)，但是這并非是很多應(yīng)用所考慮的。考慮到所有這些因素，這個(gè)特殊的應(yīng)用選擇8051內(nèi)核更加合適。

　　如果我們做一細(xì)微的改變，假設(shè)該應(yīng)用更關(guān)心執(zhí)行速度而非成本，那么通用代碼不會(huì)傾向于哪種架構(gòu)，并且ARM內(nèi)核在計(jì)算代碼中全面占優(yōu)。在這種情況下，雖然有比計(jì)算更多的控制代碼，但是總的結(jié)果將相當(dāng)均衡。

　　顯然，在這個(gè)過(guò)程中有很多的評(píng)估，但是分解應(yīng)用然后評(píng)估每一組件的技術(shù)將幫助確保我們了解在哪種情況下哪種架構(gòu)有更顯著的優(yōu)勢(shì)。

　　功耗

　　當(dāng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)，很容易根據(jù)功耗數(shù)據(jù)得出哪個(gè)MCU更優(yōu)的結(jié)論。雖然睡眠模式和工作模式電流性能在某些類(lèi)型MCU上確實(shí)更優(yōu)，但是這一評(píng)估可能會(huì)非常具有誤導(dǎo)性。

　　占空比(在每個(gè)電源模式上分別占用多少時(shí)間)將始終占據(jù)能耗的主導(dǎo)地位。除非兩個(gè)器件的占空比相同，否則數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電流規(guī)格幾乎是沒(méi)有意義的。最適合應(yīng)用需求的核心架構(gòu)通常具有更低的能耗。

　　假設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)，在設(shè)備被喚醒后添加一個(gè)16位ADC樣本到移動(dòng)平均，然后返回到休眠狀態(tài)，直到獲取下一個(gè)樣本時(shí)才又被喚醒。該任務(wù)涉及到大量16位和32位計(jì)算。ARM設(shè)備將能夠進(jìn)行計(jì)算，并比8051設(shè)備更快返回到休眠狀態(tài)，這會(huì)讓系統(tǒng)功耗更低，即使8051具有更好的睡眠和工作模式電流。當(dāng)然，如果進(jìn)行的任務(wù)更適合8051設(shè)備，那么MCU能耗由于相同的原因而對(duì)系統(tǒng)有利。

　　外設(shè)特性也能夠以這樣或那樣的方式影響功耗。例如，大多數(shù)Silicon Labs的EFM32 32位MCU具有低功耗的UART(LEUART)，能夠在低功耗模式下接收數(shù)據(jù)，而卻只有兩個(gè)EFM8 MCU具有此功能。這一外設(shè)影響電源的占空比，且在任何需要等待UART通信的應(yīng)用中都比缺乏LEUART的EFM8在很大程度上有利于EFM32 MCU。遺憾的是，除了讓MCU供應(yīng)商的本地應(yīng)用工程師利用EFM8來(lái)解決問(wèn)題，沒(méi)有簡(jiǎn)單的指南來(lái)評(píng)估這些外設(shè)因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)了解各種MCU能耗模式下可完成的處理任務(wù)。

　　8位或32位?我仍然不能決定!

　　如果考慮到所有這些變量后，仍然不清楚哪些MCU架構(gòu)是最好的選擇，會(huì)怎樣?那好吧!這說(shuō)明，它們都是很好的選擇，你使用哪種體系結(jié)構(gòu)并不是緊要的事情。如果沒(méi)有明確的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，那么過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人喜好在你的MCU架構(gòu)決定中也起到了很大的作用。此外，你也可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)去評(píng)估可能的未來(lái)項(xiàng)目。如果大多數(shù)未來(lái)項(xiàng)目更適合ARM設(shè)備，那么選擇ARM，如果未來(lái)項(xiàng)目更側(cè)重于降低成本和尺寸，那么就選擇8051。

　　這到底意味著什么呢?

　　8位MCU仍然可以為嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供許多功能，并且越來(lái)越關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是確保從工具箱中獲得合適的工具。雖然我還是很樂(lè)意把8051出售給可能更適合選擇32位設(shè)備的客戶(hù)，但是我不禁要想象如果開(kāi)發(fā)人員僅僅花費(fèi)1個(gè)小時(shí)思考就作出決定，那么他們的工作將會(huì)如何更加容易、最終產(chǎn)品將會(huì)有多好。

　　實(shí)際上的難題是，不能僅僅依賴(lài)于PowerPoint演示文稿中的一兩個(gè)要點(diǎn)就得出選擇MCU架構(gòu)的結(jié)論。然而，一旦你有正確的信息，并愿意花一點(diǎn)時(shí)間應(yīng)用它，就不難作出最佳選擇。

　　關(guān)于作者

　　Josh Norem是Silicon Labs微控制器和無(wú)線產(chǎn)品系統(tǒng)工程師。他于2006年加入Silicon Labs公司，任職產(chǎn)品和測(cè)試工程師，擔(dān)任過(guò)包括測(cè)試和應(yīng)用方面的多個(gè)技術(shù)職位，最近擔(dān)任系統(tǒng)工程師。在加入Silicon Labs公司之前，Josh就職于AMD公司，負(fù)責(zé)AMD的x86微處理器的系統(tǒng)級(jí)速度調(diào)試工作。此前，他就職于TI，負(fù)責(zé)TI的DSP產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和存儲(chǔ)測(cè)試。Josh擁有伊利諾斯大學(xué)(University of Illinois)Urbana-Champaign分校電氣工程科學(xué)學(xué)士學(xué)位。