微控制器（MCU）如何在物聯網設備中使用？開發人員又該如何為產品選擇最合適的MCU解決方案？本文將為您介紹MCU的應用知識和開發技巧，并解釋評估選用8位和32位MCU的關鍵考量因素。

什么是微控制器（MCU），它們如何在物聯網（IoT）設備中使用？

你是否曾經驚嘆過健身追蹤器是如何記錄你走的每一步，或者洗衣機是如何感知水位的?其實是通過設備內部的MCU。它是在單一集成電路上構建的小型計算機，包含一個或多個處理器內核（CPU）、存儲器和可編程輸入/輸出外圍設備。這些微型芯片為數據收集、傳感和控制物理世界提供了一種經濟實惠且廣受歡迎的方法。

MCU廣泛應用于各種系統，從汽車發動機控制和植入式醫療設備到遙控器、辦公設備、家用電器、電動工具、玩具和其他嵌入式系統。它可以作為一個橋梁使通信協議和硬件抽象層交互，并且可以運行所選的實時操作系統/操作系統（RTOS/OS）來操作設備。

MCU的共同特性

MCU是嵌入式設備的大腦，在一個很小的封裝中容納了強大的功能。無論架構如何，所有MCU都有一些共同點：

? 基于位數的MCU內核架構：MCU所使用的位數（有時稱為位深度或數據寬度），如8、16、32，可以告訴你寄存器的大小（如8位MCU就代表每個寄存器為8位）和可存儲的地址數量（28=256個地址）；32位理論上可以尋址多達536MB的數據，從技術上講，這使其具有更高的數據效率。

? 存儲器：MCU有兩種存儲器，程序存儲器（閃存）存儲在MCU上運行的代碼，而數據存儲器（RAM）則存儲代碼使用的數據。

? 外圍設備和通信接口：這些內置的部件讓MCU與外部世界進行交互，如感知溫度或控制電機。

? 安全性：MCU的安全性對于保護固件知識產權，保護設備中的私有數據，保障服務執行是至關重要的。

8位MCU和市場上流行的架構

自20世紀80年代以來，8位MCU一直是嵌入式開發的核心，即使在32位架構變得更加普遍的情況下，8位MCU仍將繼續在物聯網開發中發揮重要作用。現代8位MCU的簡易性和高成本效益確保它們在許多年內仍將是工程師工具箱中的重要工具。

下面是一些市場上流行的8位MCU架構的例子：

? PIC：1975年由通用儀器（General Instruments）公司開發，現在屬于Microchip公司，PIC芯片為無數玩具、遙控器和經濟實惠的小型工具提供了支持。

? AVR：由Atmel公司開發，深受設計愛好者和專業人士的喜愛。AVR芯片是Arduino板的核心，它使得電子產品更容易被人們獲得和使用。AVR芯片是創新的催化劑，廣泛應用于嵌入式系統。

? 8051：由英特爾公司于1980年開發，是名副其實的"老兵"。8051在工業應用和醫療設備領域呈現蓬勃之勢，這彰顯了其在簡便性和可靠性方面的持久吸引力。

芯科科技使用CIP-8051內核作為整個C8051和EFM 8位產品組合的基礎。這種流水線架構使我們能夠提高效率，可以在一個時鐘周期內執行超過80%的指令，這使得它們比其他8位MCU更具優勢。芯科科技8位MCU產品的最新成員是BB5系列，該系列由3款產品組成：

? BB52：更通用的MCU，具有更大的內存和多達29個GPIO。

? BB51：中檔MCU，在功能和成本上實現了很好的平衡。

? BB50：兼具小尺寸和成本效益的平臺，即使針對最簡單的應用亦是如此。

8位MCU的優勢

與32位MCU相比，8位MCU在一些方面具有優勢。以下是幾項最重要的優勢:

? 成本：8位MCU是經濟實惠的倡導者，對于預算緊張的項目和設計愛好者做實驗而言是完美選擇。

? 功耗：8位MCU比32位MCU更精簡，使其成為對功耗敏感的簡單應用的理想選擇。

? 代碼大小：8位MCU的代碼占用的空間很小，這對于內存有限的應用是有利的。

? 易用性：8位MCU易于學習和使用。利用現成的開發工具和在線社區，用戶可以立即開始編碼。

? 可用性：8位MCU很容易獲得，且有大量選項可供選擇。無論您是構建簡單的機器人還是智能家居傳感器，8位MCU都能將想法變為現實。

8位MCU的缺點

盡管8位MCU因價格實惠和尺寸緊湊而廣受歡迎，但與高位MCU相比，確實還有一些限制。

? 有限的內存空間：8位MCU的主要缺點之一是有限的內存空間，這可能會給執行復雜任務或處理大量數據帶來挑戰。

? 處理速度：由于其有限的指令集，8位MCU執行復雜任務或處理大量數據的能力受到了限制。在需要實時處理或高速數據傳輸的應用中，這可能是一個明顯的缺點。

32位MCU和市場上流行的架構

有沒有想過無人機如何捕捉令人驚嘆的航拍鏡頭，或者智能音箱如何完美地播放喜歡的音樂？這些看似神奇的功能都是通過32位MCU實現的！32位MCU擅長執行復雜任務、處理大量數據，并支持高端代數運算和浮點數學運算。

下面是一些市場上流行的32位MCU架構的例子：

? ARM Cortex-M: ARM Cortex-M系列是專為嵌入式系統設計的32位MCU系列，在智能手機、無人機和可穿戴設備背后提供了強大支撐。

? PIC32: PIC32 MCU是由Microchip公司開發的32位MCU系列。從工業自動化到機器人，PIC32都能高效地應對要求嚴苛的任務。

? AVR32: AVR32是由Atmel公司開發的32位微控制器架構，其將易于使用的AVR技術帶入了32位領域，是設計愛好者和專業人士的完美選擇。

? RISC-V: RISC-V是一種開源架構，是RISC架構系列中的最新進展，具有簡單、模塊化和可擴展等特點。RISC-V架構由于其開源特性而越來越受歡迎，因為開源可以帶來更大的靈活性且支持定制化。RISC-V MCU被用于各種應用，包括嵌入式系統、物聯網設備和高性能計算等。

芯科科技提供的所有EFM32和EFR32第二代MCU和無線SoC產品都使用了多核Cortex-M平臺。我們大多數的Cortex-M33內核運行頻率高達76.4 MHz，可以作為無線和應用開發的主應用內核，而2個專用的M0+內核運行射頻和安全子系統，這樣可以為開發人員提供覆蓋整個產品組合的一致平臺。該架構允許子系統獨立于應用內核運行，并且在不考慮縮短開發時間的情況下有助于提供底層的靈活性，同時支持產品系列之間進行更多的設計重用。此外，將人工智能和機器學習（AI/ML）硬件加速功能添加到無線和獨立MCU中，可以減少在邊緣增加智能所需的時間和功耗。

32位MCU的優勢

與8位MCU相比，32位MCU在一些方面具有優勢。以下是幾項最重要的優勢:

? 處理能力：32位MCU旨在提供高性能和高能效。與8位和16位MCU相比，32位MCU速度更快、功能更強，但仍然節能。32位MCU可以處理更多的RAM和閃存，并具有更高的時鐘速度。這使得它們非常適合需要高性能計算的應用，例如快速傅里葉變換（FFT）計算、高質量音頻或視頻、高分辨率圖像處理以及各種邊緣計算應用。

? 內存：與8位內存總線相比，32位內存總線提供了更寬的數據路徑，使其能夠在一個時鐘周期內傳輸更多的數據。這可以實現更快的數據傳輸速率，并提高整體系統性能，從而使我們能夠保存高分辨率圖像，復雜的算法，甚至整個操作系統。

? 外圍設備支持：32位MCU在外圍設備方面具有多項優勢。它們提供更先進的通信接口，如EUSART、USB、以太網、CAN、SDMMC和集成LCD控制器等。這些外圍設備對于許多現代應用至關重要，例如物聯網設備、汽車系統和工業自動化等。32位MCU還提供更先進的模數轉換器（20位ADC），這對于許多需要高精度測量的應用至關重要，以及12位DAC，高級定時器，可編程計數器和精確的集成定時元件（如高精度內部RC振蕩器），這些對于許多需要精確定時和計數的應用也是至關重要的。

? 編碼效率：32位MCU可以在每個周期內包含更多指令，從而實現更快的執行速度和更低的功耗。這是因為它們在每個時鐘周期內可以處理更多的數據位，意味著它們可以用更少的資源做更多的事情。此外，32位MCU可以實現更高的代碼效率，從而以更小的程序進行復雜的操作。

? 庫和驅動程序的可用性：隨時可以訪問各種庫和維護良好的驅動程序對于高效的軟件開發和無縫的硬件集成至關重要。當開發人員可以利用現有的庫和驅動程序時，就可以顯著提高工作效率，并有助于創建可提供更佳用戶體驗的強大應用。

32位MCU的缺點

雖然32位MCU在性能和多功能性方面具有明顯優勢，但它們并不是一種萬能的解決方案。在啟動項目之前，請考慮以下權衡因素：

? 功耗：與簡單的8位MCU相比，32位架構更高的復雜性使得實現最佳的低功耗運行要復雜得多。開發人員可能需要管理更復雜的能量狀態，并對外圍設備進行權衡，以達到類似的功耗指標。

? 復雜性：32位MCU比8位MCU更復雜，這會使它們更難以編程和調試。

? 代碼大小：對于不太復雜的操作，32位MCU的代碼可能會比8位MCU的更大，這對于內存有限的應用來說可能是一個缺點。然而，代碼大小在很大程度上取決于產品開發所用的代碼優化工具。

結論：明智地選擇MCU架構和平臺

在物聯網開發領域，選擇合適的處理器平臺至關重要！8位和32位MCU解決了不同的挑戰，并在現代物聯網發展中均占有一席之地。

當談到經濟和高效時，8位MCU無疑是佼佼者！它們具有成本效益且尺寸緊湊，是無線物聯網傳感器等簡單任務的理想選擇。與32位MCU相比，其更高的能量效率也使其成為電池供電設備的優先選擇。

另一方面，32位MCU可以提供比8位MCU更強大的處理能力和內存。這使得它們更適合需要更高性能和更大內存的應用。然而，這也是以增加復雜性為代價的。

那么，誰會在物聯網領域取得勝利呢？對于基本的、簡單的任務或者預算受限的情況，8位MCU會更合適。但是，當需要強大的性能來執行密集型任務時，32位MCU則成為最佳選擇。開發人員可以先評估產品功能需求再做出明智的選擇。