8位及16位的MCU怎么还没被淘汰？

MCU开发加油站 2022-08-19 2220

描述

互联网时代，MCU无处不在，它被应用于许多领域，比如移动电话、汽车、家电、玩具、物联网设备等等。很多人都知道MCU有8位、16位和32位，一般来说，位数越多MCU处理性能越强。

寄存器

图① MCU由中央处理器（CPU）、存储器和外围功能组成

有的人会疑惑既然都已经有32位MCU了，8位及16位的MCU怎么还没被淘汰？其实MCU并不是单一地看位数大小来决定它的好坏。

首先我们需要先明白MCU中“位”的含义。“位”是一个二进制数字，在一个8位单片机中，数据以8位的形式存储，称为字节（在某些情况下，称为八位元）。一个8位内存寄存器可以存储28个可能值中的一个。根据所使用的整数表示形式，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（28减1），使用2的补码表示，范围是 -128（- 1 x27）到127（27-1）。虽然8位单片机中的数据总线是8位宽的，但是地址总线宽度可以不同。地址总线宽度通常为12位到16位。例如，16位宽地址总线的结果是直接可寻址内存空间为65，536（216）字节（称为64kb）。但是这些分类只是开始暗示特定的8位 mcu 的实际功能（图2）。

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图② 8位处理器可以提供广泛的性能能力

8位MCU应用广泛，但与16位MCU和32位MCU相比，性能有限。当8位不够时，设计师可以向32位MCU求助，这可以带来相当大的性能冲击。它们可以支持高端代数操作和浮点数学操作。虽然8位MCU通常仅限于MHz的处理速度，但32位单元的时钟速率可以达到GHz范围，尽管数百个MHz单元更为常见。

提高性能的代价是增加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、多层固件执行特权等等。这就是为什么32位单位如此强大的部分原因。他们可以快速处理数以千计的复杂计算，以满足需要大量数据处理的应用，例如图像处理或高速系统的实时控制。此外，32位处理器的较大内存地址空间往往需要缓冲高带宽的数据流。

通常与32位 mcu 相关的较高时钟速度也会导致能量消耗的增加。一般来说，32位 mcu 可以通过交换更高的能量消耗来支持更高强度的计算。但是在8位和32位之间的选择并没有那么简单。例如，32位单片机可以比8位单片机更快地完成一系列计算，然后进入睡眠模式的时间更长。那么，32位 mcu 是否更节能呢？这种可能性很大，但未必准确。8位mcu可以减少总能量消耗，帮助延长便携式设备的电池寿命。

回到 ICE 的类比，在4个圆柱体（8位）和8个圆柱体（32位）之间有一个中间地带，通常6个圆柱体（16位）的设计可以提供正确的效率和性能组合。

8位 mcu 的性能本质上是有限的，只能通过添加外围设备在一定范围内进行改进。使用32位 mcu 的系统可以提供更高的性能，但是与其他解决方案相比，可能会过度消耗并消耗更多的功耗。

这时候16位 mcu 就脱颖而出了，它们可以结合8位单元的简单性，同时提供增强的性能，而不需要过多的功耗。特别是在不需要大规模多线程和适度内存需求的应用程序中，16位 mcu 可以提供最佳的中间解决方案（图3）。

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图③：16位 mcu 与8位设备相比，配有专门的电机控制外围设备、数字变流技术、低功耗电池供电设计、高级模拟集成和硬件安全性能提高。（图片：微芯片）

外围设备可能是关键。一些16位 mcu 有数学协处理器，支持密集的数学计算，类似于在相同时钟速度下的32位单元。此外，还有许多支持16位 mcu 的通信栈。例如，有了正确的实现，以太网、控制器局域网路、通用串行总线（USB）和 Zigbee 等通信协议就可以在16位 mcu 上高效运行。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。

外围设备的可用性以及它们所在的位置可能是推动选择8位、16位或32位的重要因素。向8位单片机添加外部通信外设也是一种选择。但是，外围芯片的加入往往会降低使用8位单片机的成本效益。使用一个集成了通信功能的32位单元可以节省成本。向上移动规模发现32位 mcu 通常包含更多的功能，并且能够比8位和16位设备更有效地处理多个外围功能。

使用16位和32位 mcu 可以使计算量更大、速度更快的应用程序受益。可以受益于16位或32位 mcu 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程序。此外，机器学习和人工智能的实现通常需要32位，通常使用特定应用程序的加速器。

在复杂度的另一端，处理来自传感器或其他来源的模拟信号并不一定受益于使用32位或16位 mcu。8位 mcu 可以包括内置的模数转换器（adc），支持8位、10位、12位甚至16位速率。

8位 mcu 可用于支持一些加密功能，以提高安全性。但是这些功能通常是在硬件上实现的，这增加了成本，或者软件增加了相对低功耗处理器的负担。如果高级安全功能很重要，那么使用16位或32位单片机可能是明智的。

所以说，选择多少位 mcu 是个复杂的决策过程（图4），它需要参考多种应用因素，选型需要根据具体情况才能确定最佳的能耗方案。

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图④ 8位与32位单片机的比较

审核编辑：李倩

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