為物聯網開發選擇至佳 MCU 架構
什么是微控制器 (MCU)，它們如何在物聯網設備中使用？
您是否曾驚訝于健身追蹤器如何記錄您的每一步或者洗衣機如何感知水位？了解通常被稱為 MCU 的微控制器，這是一種革新日常設備的緊湊型計算機。MCU 是單個集成電路上的小型計算機，包含一個或多個 CPU（處理器內核）、內存和可編程輸入/輸出外圍設備。這些微小芯片是數據收集、傳感和控制物理世界的一種常用的實惠方式。
MCU 在各種系統中得以應用，從汽車發動機控制器和植入式醫療設備到遙控器、辦公設備、電器、電動工具、玩具和其他嵌入式系統。它們發揮橋接作用，讓通信協議和硬件抽象層能夠交互并運行操作設備的所選 RTOS/OS。
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微控制器的常見功能
微控制器采用微型封裝，是嵌入式設備的優選大腦。所有 MCU 無論架構如何，都有某些共同點：
- 基于位數的 MCU 內核架構： MCU 使用的位數（8、16、32）（有時稱為位深度或數據寬度）能夠表明寄存器的大?。總€寄存器 8 位）、內存地址數（28 = 256 個地址）、32-bBit 理論上可以處理高達 536 MB 的數據，從技術上講，這可以提高數據效率。
- 內存：MCU 有兩種類型的內存。程序內存（閃存）存儲 MCU 上運行的代碼，而數據內存 (RAM) 存儲代碼使用的數據。
- 外圍設備和通信接口： 這些內置工具讓微控制器能夠與外界進行交互，如感應溫度或控制電機。安全：對于保護固件知識產權、保護設備中的私有數據以及保證服務執行來說，MCU 安全性至關重要。
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什么是 8 位 MCU 以及一些常用 8 位 MCU 架構的示例
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 位架構變得越來越普遍的情況下，仍然在物聯網開發中繼續發揮重要作用?，F代 8 位 MCU 的簡單性和成本效益屬性確保了它們多年來仍將是工程師工具箱中的關鍵工具。
以下是一些常用的 8 位 MCU 架構示例：
- PIC： PIC 芯片由 General Instruments 于 1975 年開發，現在是 Microchip Technology 的專有產品，為無數玩具、遙控器和經濟實用的小工具提供動力。
- AVR：AVR 芯片由 Atmel 開發，深受業余愛好者和專業人士的喜愛，是 Arduino 板的核心元件，讓每個人都可以使用電子產品。它們是創新的催化劑，廣泛應用于嵌入式系統。
- 8051： 由真正的資深人士 Intel 于 1980 年開發，在工業應用和醫療設備領域 8051 蓬勃發展，突出了簡單性和可靠性的持久吸引力
Silicon Labs 已將該 CIP-8051 內核用作整個 C8051 和 EFM 8 位產品組合的基礎元件。這種流水線式架構讓我們能夠提高效率，超過 80% 的指令在單個時鐘周期內執行，使其比其他 8 位 MCU 更具優勢。Silicon Labs 8 位產品的新成員是 BB5 8 位微控制器系列，該系列包含 3 種變體：
- BB52: 更通用的 MCU，具有更大的內存和多達 29 個 GPIO
- BB51: 中端 MCU，在功能和成本方面都是一個很好的折衷方案
- BB50: 即使是很簡單的應用，也是一個小型經濟的平臺
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8 位 MCU 的優勢
8 位微控制器比 32 位微控制器具有若干優勢。以下是一些重要優勢：
- 成本： 8 位 MCU 倡導經濟實惠，非常適合需要精打細算的項目和業余愛好者的實驗。
- 功耗： 8 位 MCU 的復雜性遠低于其 32 位同類產品，使其成為對功耗來說至關重要的簡單應用的理想選擇。
- 代碼大小： 8 位 MCU 的代碼占用空間小，這對于內存有限的應用來說十分有利。
- 易于使用：8 位 MCU 易于學習和使用。借助現成的開發工具和在線社區，用戶可以立即開始編碼。
- 供應情況： 8 位 MCU 隨時可用，有大量選項可供選擇。無論您是在構建簡單的機器人還是智能家居傳感器，8 位 MCU 都能將創意變為現實。
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8 位 MCU 的缺點
盡管在經濟性和緊湊尺寸方面很受歡迎，但與位數更多的微控制器相比，8 位微控制器確實存在一些限制。
- 有限的內存空間：8 位微控制器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： 由于指令集有限，8 位 MCU 執行復雜任務或處理大量數據的能力可能受到限制。這在需要實時處理或高速數據傳輸的應用中可能是一個重大缺點。
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32 位 MCU 和常用的 32 位 MCU 架構是什么？
有沒有想過您的無人機如何拍攝令人驚嘆的空中影像或者您的智能揚聲器如何毫無瑕疵地播放您最喜歡的音樂？這些看似神奇的壯舉是通過 32 位微控制器實現的！請將這些微控制器視作技術世界的強大引擎，它們擅長完成復雜任務、處理大量數據并支持高端代數運算和浮點數學。以下是一些常用的 32 位 MCU 架構示例：
- ARM Cortex-M：ARM Cortex-M 系列是專為嵌入式系統設計的 32 位微控制器系列。是智能手機、無人機和可穿戴設備背后的有力推手。
- PIC32： PIC32 微控制器是由 Microchip Technology 開發的 32 位微控制器系列。從工業自動化到機器人，PIC32 能夠高效應對棘手任務。
- AVR32： AVR32 是由 Atmel 開發的 32 位微控制器架構，將對用戶友好的 AVR 世界引入 32 位領域，讓其成為業余愛好者和專業人士的理想選擇。
- RISC-V： RISC-V 是開源架構 (ISA)，是 RISC 架構系列的新開發產品，旨在實現簡單化、模塊化和可擴展性。RISC-V 架構因其開源性質而越來越受歡迎，開源性質支持實現更大的靈活性和定制能力。RISC-V MCU 用于各種應用，包括嵌入式系統、物聯網設備和高性能計算。
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所有 EFM32 和 EFR32 系列 2 無線 SoC 和 MCU 均使用多核 Cortex-M 平臺。我們運行速度高達 76.4 MHz 的 Cortex M33 中的大多數作為無線和應用開發的主要應用內核，而 2 專屬 M0+ 內核則運行無線電和安全子系統，為開發人員提供涵蓋整個產品組合的統一平臺。這種架構允許子系統獨立于應用內核運行，并有助于提供潛在的靈活性，而不受開發時間縮短的影響，并允許產品系列設計之間的更多重復使用。為無線和獨立 MCU 添加 AI/ML 硬件加速可減少邊緣所需的額外智能需要的時間和功耗。
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32 位 MCU 的優勢
32 位微控制器比 8 位微控制器具有若干優勢。以下是一些重要優勢：
- 處理能力： 32 位 MCU 旨在提供高性能和功率效率。它們比 8 位和 16 位的同類產品更快、更強大，但仍然節能。32 位 MCU 可以處理更多的 RAM、閃存以及更高的時鐘頻率。這使其非常適合需要高性能計算的應用，例如 FFT 計算、高質量音頻或視頻、高分辨率圖像處理和各種邊緣計算應用。
- 內存：32 位內存總線提供比 8 位內存總線更寬的數據路徑，使其能夠在單個時鐘周期內傳輸更多數據。這可以提高數據傳輸速率、提升整體系統性能，從而使我們能夠保存高分辨率圖像、復雜算法甚至整個操作系統。
- 支持外圍設備： 32 位 MCU 在外圍設備方面具有多種優勢。它們提供更先進的通信接口，如 EUSART、USB、以太網和 CAN、SDMMC、集成 LCD 控制器等。這些外圍設備對于許多現代應用（如物聯網設備、汽車系統和工業自動化）至關重要。 32 位 MCU 還提供對需要高精度測量的應用程序至關重要的更先進的 AD 轉換器（20 位 ADC）、12 位 DAC、高級定時器、可編程計數器以及精確集成計時組件（如高精度內部 RC 振蕩器，這是需要精確計時和計數的許多應用不可或缺的組件）。
- 編碼效率： 32 位 MCU 可以在每個周期中打包更多指令，從而加快執行速度并降低功耗。這是因為它們可以在每個時鐘周期處理更多的數據位，從而可以用更少的資源做更多的事情。此外，32 位 MCU 可實現卓越的代碼效率，結果轉化為以更小的程序處理復雜操作。
- 庫和驅動程序的可用性： 隨時訪問各種庫和維護良好的驅動程序是確保實現高效的軟件開發和無縫硬件集成的關鍵。如果開發人員可以利用現有的庫和驅動程序，就可以顯著提高生產力，并有助于創建帶來更好用戶體驗的強大應用。
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32 位 MCU 的缺點
雖然 32 位微控制器在功率和多功能性方面占據主導地位，但它們并不是萬能的解決方案。在為項目提供技術支持之前，請權衡以下利弊：
- 功耗： 32 位架構的復雜性使得實現至佳低功耗操作比簡單的 8 位 MCU 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。
- 復雜程度：32 位 MCU 比 8 位 MCU 更復雜，這可能使它們更難以編程和調試。
- 代碼大小： 對不太復雜的操作來說， 32 位 MCU 的代碼大小可能比 8 位 MCU 大，這對于內存有限的應用來說可能是一個缺點。但代碼大小在很大程度上取決于用于產品開發的代碼優化工具。
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結語：明智地選擇您的微控制器架構和平臺
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 解決了不同的難題，在現代物聯網開發中各自占有一席之地
在經濟性和效率方面， 8 位 MCU 是至佳選擇！它們具有成本效益和緊湊性，是無線物聯網傳感器等簡單任務的理想選擇。它們比 32 位 MCU 具有卓越的功率效率，也使其成為電池供電設備的優選。
另一方面， 32 位 MCU 的處理能力和內存高于 8 位 MCU。這使得它們更適合要求更高性能和更多內存的應用。但這需要權衡復雜性增大這一因素。
那么，哪一種會在物聯網領域取勝呢？對于基本任務和有預算限制的項目，8 位 MCU 有優勢。但當需要強大的性能來執行密集型任務時，32 位 MCU 會贏得桂冠。明智地選擇，您的互聯世界取決于這一點。
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