8位向32位转换之决策

作者：Ankur Tomar，e络盟；Anthony Huereca，飞思卡尔

e络盟社区致力于服务设计工程师已有8年时间。在这段时间内，技术不断发展，32位架构上市，使得工程师能够前所未有地推进其设计，我们也得以亲眼见证了微控制器市场的发展变化。

在全世界每天使用的数十亿件嵌入式设备中，许多仍然采用传统的8位和16位微控制器。很多嵌入工程师是跟着这些较老的架构一起成长起来的，这些架构成本低、功耗低而且十分简单，即使32位设备发展迅猛也没有妨碍它们的受欢迎程度。但是，32位设备声望渐隆，我们有必要对这个新架构的差异、优势和机遇进行详细说明。

现在，每个新项目都需要先回答下列问题：继续采用8位架构会错过什么？32位架构能够提供什么？32位设备目前占据着嵌入式MCU销售的领先地位，我们是否应该立即采取行动以避免落后？

幸运的是，我们的行业创新永无止境。有了Freescale®（飞思卡尔）、Atmel®、NXP®及其它设备所采用的ARM® Cortex®- M0+等内核，32位处理器就能够媲美传统8/16位MCU的实力，同时还能够提供众多的优势，让升级变得极具吸引力。Cortex-M0+内核为转换而生，它的32位功能可将项目提升到一个全新的高度。

为什么要向32位转换？

如果你问学工程的新生为什么要从8位向32位转换，那么你可能会得到这么一个明确的答案：32位是8位的4倍，位越高当然越好！实际上事情并非那么简单，不过32位MCU十分重要自有其很多令人信服的理由，即使对于 “传统的”8位和16位项目来说也是如此。

•    提高性能：向32位内核转换之后，相对于目前使用的8位和16位架构来说，每MHz性能可以提高2-40倍。你可以获得更快的32位数学运算处理速度，以及单周期32位乘法运算。而且，你还可以获得单周期IO，用于位拆裂和软件协议仿真。

所有这些功能开启了全新的可能性，涉及软件堆栈（USB、蓝牙等）、RTOS、高级UI等等，而且还剩余充足的处理能力用于应用软件的自定义功能。

•    提高能源效率：Cortex-M0+内核效率极高，其Coremark/mA较8位或16位竞争性产品高达2倍。嵌入式系统结合这种强大的Cortex-M0+内核，可以更快地完成任务并返回睡眠模式，从而节省能源。

即使睡眠模式也能够很好地节省功耗：在飞思卡尔Kinetis® L 系列产品上进入9种模式中的最深度睡眠模式时，其功耗低至<1uA。而且，由于Kinetis系列产品上的外围模块采用智能设计，因此你可以在不唤醒内核的情况下做更多的事情，从而进一步节省功耗。
   


•    提高代码密度：似乎违反直觉的是，使用32位处理器将导致代码长度减小。不过，Cortex-M0+内核使用Thumb-2指令，其中许多指令仅占用16位闪存。而且请记住，8位处理器上的许多指令实际长于8位。此外，视具体应用而定，8位指令的多个字节可以用32位MCU的一个指令取代，就像下面的16位乘法运算一样。



结果显示，向使用Thumb-2指令的32位架构转换，可以极大地提高代码密度。



•    可扩展：当项目和性能需要提升时，捆绑于某个制造商提供的某个8位架构的装置不再是妨碍。32位设备注重C码而非装置，因此减少了开发和调试的时间，并且可以更加简便地将代码移植至新的设备。随着32位ARM MCU在全世界广泛普及，软件生态系统将变得十分庞大，并且还将不断扩展。

但是……

你觉得这一切听起来真不错，但我仍然需要8/16位MCU为我的应用提供较小的尺寸、较低的成本和易于使用的特点。幸运的是，32位MCU也能够做到这些：

•    尺寸：正如飞思卡尔Kinetis KL03系列产品上所见，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够提供卓越的32位性能。



•    成本：设备起步价低至0.49美分，所以32位MCU甚至可以用于此前望成本兴叹的各种应用。而且因为代码密度提高，所以需要的闪存也比较少。

•    复杂性：令人称奇的是，32位架构在某些方面实际上更为简单。有了32位地址空间，便无需对内存地址进行分页，所以可以直接访问。Cortex-M0+内核架构拥有一个全功能干扰控制器，可简化干扰处理。此外，32位架构还附带一个追踪缓存，可以方便调试，并给希望继续使用装置的用户仅提供56条指令，这样一来，向32位“跨跃”的一大步从复杂性的角度来说更像是一小步。

利用32位开展开发工作：

使用32位ARM内核的主要优势之一，在于海量的可用软件和硬件，其中包括大量兼容的编译器和调试器。当项目在Cortex-M0+和更为强大的Cortex-M4等内核之间进行调整时，我们可以十分简便地重复使用各种硬件和软件。此外，因为飞思卡尔Kinetis MCU引脚和模块具备兼容性，并且该系列的设备数以百计，所以沿着性能/闪存曲线上下移动非常简便。

飞思卡尔进一步促进了32位的开发工作，推出了Processor Expert®软件建模工具和MQX™-Lite实时操作系统（RTOS），有助于迅速启动和推进全新的32位项目。Processor Expert软件建模工具是一种GUI补充工具，用于代码生成，可创建客户化的驱动程序，从而极大地缩短开发时间。

MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的简化版，专门针对内存低于4KB的微控制器设计。RTOS驱动程序来自于Processor Expert软件建模工具，MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的子集，因此未来可轻松升级至更为强大的设备。它很好地补充了Processor Expert软件建模工具，而且对于带有USB功能的设备，它还提供一个USB补充堆栈。