8位向32位轉(zhuǎn)換之決策

e絡(luò)盟社區(qū)致力于服務(wù)設(shè)計工程師已有8年時間。在這段時間內(nèi)，技術(shù)不斷發(fā)展，32位架構(gòu)上市，使得工程師能夠前所未有地推進(jìn)其設(shè)計，我們也得以親眼見證了微控制器市場的發(fā)展變化。

在全世界每天使用的數(shù)十億件嵌入式設(shè)備中，許多仍然采用傳統(tǒng)的8位和16位微控制器。很多嵌入工程師是跟著這些較老的架構(gòu)一起成長起來的，這些架構(gòu)成本低、功耗低而且十分簡單，即使32位設(shè)備發(fā)展迅猛也沒有妨礙它們的受歡迎程度。但是，32位設(shè)備聲望漸隆，我們有必要對這個新架構(gòu)的差異、優(yōu)勢和機(jī)遇進(jìn)行詳細(xì)說明。

現(xiàn)在，每個新項目都需要先回答下列問題：繼續(xù)采用8位架構(gòu)會錯過什么?32位架構(gòu)能夠提供什么?32位設(shè)備目前占據(jù)著嵌入式MCU銷售的領(lǐng)先地位，我們是否應(yīng)該立即采取行動以避免落后?

幸運(yùn)的是，我們的行業(yè)創(chuàng)新永無止境。有了Freescale®(飛思卡爾)、Atmel®、NXP®及其它設(shè)備所采用的ARM® Cortex®- M0+等內(nèi)核，32位處理器就能夠媲美傳統(tǒng)8/16位MCU的實力，同時還能夠提供眾多的優(yōu)勢，讓升級變得極具吸引力。Cortex-M0+內(nèi)核為轉(zhuǎn)換而生，它的32位功能可將項目提升到一個全新的高度。

為什么要向32位轉(zhuǎn)換?

如果你問學(xué)工程的新生為什么要從8位向32位轉(zhuǎn)換，那么你可能會得到這么一個明確的答案：32位是8位的4倍，位越高當(dāng)然越好!實際上事情并非那么簡單，不過32位MCU十分重要自有其很多令人信服的理由，即使對于 “傳統(tǒng)的”8位和16位項目來說也是如此。

• 提高性能：向32位內(nèi)核轉(zhuǎn)換之后，相對于目前使用的8位和16位架構(gòu)來說，每MHz性能可以提高2-40倍。你可以獲得更快的32位數(shù)學(xué)運(yùn)算處理速度，以及單周期32位乘法運(yùn)算。而且，你還可以獲得單周期IO，用于位拆裂和軟件協(xié)議仿真。

所有這些功能開啟了全新的可能性，涉及軟件堆棧(USB、藍(lán)牙等)、RTOS、高級UI等等，而且還剩余充足的處理能力用于應(yīng)用軟件的自定義功能。

• 提高能源效率：Cortex-M0+內(nèi)核效率極高，其Coremark/mA較8位或16位競爭性產(chǎn)品高達(dá)2倍。嵌入式系統(tǒng)結(jié)合這種強(qiáng)大的Cortex-M0+內(nèi)核，可以更快地完成任務(wù)并返回睡眠模式，從而節(jié)省能源。

即使睡眠模式也能夠很好地節(jié)省功耗：在飛思卡爾Kinetis® L 系列產(chǎn)品上進(jìn)入9種模式中的最深度睡眠模式時，其功耗低至1uA。而且，由于Kinetis系列產(chǎn)品上的外圍模塊采用智能設(shè)計，因此你可以在不喚醒內(nèi)核的情況下做更多的事情，從而進(jìn)一步節(jié)省功耗。

• 提高代碼密度：似乎違反直覺的是，使用32位處理器將導(dǎo)致代碼長度減小。不過，Cortex-M0+內(nèi)核使用Thumb-2指令，其中許多指令僅占用16位閃存。而且請記住，8位處理器上的許多指令實際長于8位。此外，視具體應(yīng)用而定，8位指令的多個字節(jié)可以用32位MCU的一個指令取代，就像下面的16位乘法運(yùn)算一樣。

結(jié)果顯示，向使用Thumb-2指令的32位架構(gòu)轉(zhuǎn)換，可以極大地提高代碼密度。

• 可擴(kuò)展：當(dāng)項目和性能需要提升時，捆綁于某個制造商提供的某個8位架構(gòu)的裝置不再是妨礙。32位設(shè)備注重C碼而非裝置，因此減少了開發(fā)和調(diào)試的時間，并且可以更加簡便地將代碼移植至新的設(shè)備。隨著32位ARM MCU在全世界廣泛普及，軟件生態(tài)系統(tǒng)將變得十分龐大，并且還將不斷擴(kuò)展。

但是……

你覺得這一切聽起來真不錯，但我仍然需要8/16位MCU為我的應(yīng)用提供較小的尺寸、較低的成本和易于使用的特點。幸運(yùn)的是，32位MCU也能夠做到這些：

• 尺寸：正如飛思卡爾Kinetis KL03系列產(chǎn)品上所見，32位MCU的尺寸小至1.6x2.0毫米，是世界上最小的ARM MCU，所以非常小的尺寸也能夠提供卓越的32位性能。

• 成本：設(shè)備起步價低至0.49美分，所以32位MCU甚至可以用于此前望成本興嘆的各種應(yīng)用。而且因為代碼密度提高，所以需要的閃存也比較少。

• 復(fù)雜性：令人稱奇的是，32位架構(gòu)在某些方面實際上更為簡單。有了32位地址空間，便無需對內(nèi)存地址進(jìn)行分頁，所以可以直接訪問。Cortex-M0+內(nèi)核架構(gòu)擁有一個全功能干擾控制器，可簡化干擾處理。此外，32位架構(gòu)還附帶一個追蹤緩存，可以方便調(diào)試，并給希望繼續(xù)使用裝置的用戶僅提供56條指令，這樣一來，向32位“跨躍”的一大步從復(fù)雜性的角度來說更像是一小步。

利用32位開展開發(fā)工作：

使用32位ARM內(nèi)核的主要優(yōu)勢之一，在于海量的可用軟件和硬件，其中包括大量兼容的編譯器和調(diào)試器。當(dāng)項目在Cortex-M0+和更為強(qiáng)大的Cortex-M4等內(nèi)核之間進(jìn)行調(diào)整時，我們可以十分簡便地重復(fù)使用各種硬件和軟件。此外，因為飛思卡爾Kinetis MCU引腳和模塊具備兼容性，并且該系列的設(shè)備數(shù)以百計，所以沿著性能/閃存曲線上下移動非常簡便。

飛思卡爾進(jìn)一步促進(jìn)了32位的開發(fā)工作，推出了Processor Expert®軟件建模工具和MQX™-Lite實時操作系統(tǒng)(RTOS)，有助于迅速啟動和推進(jìn)全新的32位項目。Processor Expert軟件建模工具是一種GUI補(bǔ)充工具，用于代碼生成，可創(chuàng)建客戶化的驅(qū)動程序，從而極大地縮短開發(fā)時間。

MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的簡化版，專門針對內(nèi)存低于4KB的微控制器設(shè)計。RTOS驅(qū)動程序來自于Processor Expert軟件建模工具，MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的子集，因此未來可輕松升級至更為強(qiáng)大的設(shè)備。它很好地補(bǔ)充了Processor Expert軟件建模工具，而且對于帶有USB功能的設(shè)備，它還提供一個USB補(bǔ)充堆棧。

下一步

現(xiàn)在你想嘗試一下32位架構(gòu)，但是應(yīng)該從哪里著手呢?

幸好，有許多主板提供很好的32位評估平臺，你花不到一個匹薩的錢就能夠買到。FRDM-KL05Z 非常適合你初涉32位領(lǐng)域，它引腳兼容飛思卡爾的8位S08設(shè)備。FRDM-KL26Z增加了USB和更多先進(jìn)的外圍模塊，而FRDM-KL46Z還進(jìn)一步支持USB和segment LCD。或者，如果5V IO和電氣可靠性對于你的應(yīng)用至關(guān)重要，那么FRDM-KE02就是你要找的主板。

所有這4個薄荷錫盒大小的主板均為Cortex-M0+內(nèi)核，并采用了Processor Expert軟件建模工具、MQX-Lite RTOS、USB補(bǔ)充堆棧等。此外，這些主板還內(nèi)置了一個稱為OpenSDA的調(diào)試電路，所以一條簡單的USB電纜便可提供你所需要的全部調(diào)試、串行通信和閃存編程功能。

而且，這些主板以及整個飛思卡爾Freedom開發(fā)平臺系列均兼容Arduino™擴(kuò)展板，并可提供數(shù)字與模擬IO引腳。MEMS傳感器評估套件很好地說明了其中的各種可能性，它將FRDM-KL25Z 飛思卡爾Freedom開發(fā)平臺和MEMS傳感器評估擴(kuò)展板相結(jié)合，使Kinetis L MCU能夠獲得各種先進(jìn)的傳感器，以便探索周圍的世界。

在整個學(xué)習(xí)過程中，務(wù)必和其他工程師保持密切聯(lián)系，e絡(luò)盟社區(qū)可以提供這方面的支持。通常，你所面臨的問題，其他工程師已經(jīng)有了解決方案，從這一點上來講，網(wǎng)絡(luò)社區(qū)是一個不錯的資源。

32位的未來

科技從未停止進(jìn)步，越來越多的嵌入式應(yīng)用將采用32位MCU，這種趨勢只會加速。從開發(fā)套件到原型機(jī)和制造的每個設(shè)計流程階段，e絡(luò)盟均為工程師提供支持，確保他們在選擇遷移至32位架構(gòu)時胸有成竹。較高的性能、卓越的功率效率以及更好的代碼密度，現(xiàn)在就邁開腳步，走向更加美好的32位未來吧。