為什么8位處理器的能效低于32位處理器

近年來，隨著工藝與IP的逐漸成熟，32位的MCU增長迅速，風(fēng)頭之勁乃至16位的MCU基本上被跳過了?，F(xiàn)在說嵌入式MCU，要么就是8位，要么就是32位，16位的MCU產(chǎn)品型號(hào)屈指可數(shù)。

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那么8位的MCU的情形又如何，很多嵌入式工程師都有一些誤解，下面來簡單分析下。

一、8位MCU正在被淘汰

這是最常見的誤解，先說事實(shí)，根據(jù)最新的Gartner的市場報(bào)告，8位的市場營收額和增長額跟32位的相比都僅僅差幾個(gè)百分點(diǎn)。考慮到8位的單個(gè)芯片比32位芯片要便宜很多的事實(shí)，8位的出貨量其實(shí)遠(yuǎn)高于32位的。打個(gè)直觀的比方，現(xiàn)在我們有了高鐵，是不是所有傳統(tǒng)的普快、特快火車都要立即淘汰呢?顯然事實(shí)并非如此，至于原因就太多了?，F(xiàn)實(shí)情況就是8位 MCU曾經(jīng)的應(yīng)用領(lǐng)域并不能立即用32位的MCU直接替代。

二、8位處理器缺乏創(chuàng)新

不少人會(huì)認(rèn)為既然現(xiàn)在市場的寵兒是32位的MCU，廠商們是不是都沒有投入研發(fā)資源在8位產(chǎn)品上了。這么想的人可能一想到8位的MCU，腦海中會(huì)浮現(xiàn)40DIP的“經(jīng)典8051”的形象。事實(shí)上芯片廠商們并沒有停止創(chuàng)新。比如CIP-51內(nèi)核因?yàn)椴捎昧艘粋€(gè)時(shí)鐘周期等同于一個(gè)指令周期的設(shè)計(jì)，瞬間將同頻率的8051性能提高了12倍。國內(nèi)的一些半導(dǎo)體廠商也有基于8051或其他8位內(nèi)核的創(chuàng)新。

三、8位處理器難以使用C/C++語言編程

如果你了解Arduino的設(shè)計(jì)原理，這個(gè)誤解就不攻自破。當(dāng)然坦白講，8位的MCU使用高級(jí)語言編程確實(shí)比32位的MCU要困難些，主要障礙就是內(nèi)存地址的不統(tǒng)一。比如8051內(nèi)核的內(nèi)存地址就分為CODE、data、sfr、idata和xdata。如果涉及到banking就更復(fù)雜了。8位的PIC還有硬件Stack這樣更加“非主流”的設(shè)計(jì)，但是這些障礙都可以通過工具的優(yōu)化來緩解。

四、8位處理器專為簡單應(yīng)用而生

這個(gè)觀點(diǎn)倒是有幾分真實(shí)，但是嵌入式應(yīng)用本身就是簡單應(yīng)用居多。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的本身特點(diǎn)決定了8位依然有很多用武之地。外設(shè)和編譯器的進(jìn)化將慢慢拓展8位處理器的應(yīng)用范疇。

五、8位處理器不能勝任IoT應(yīng)用需求

IoT應(yīng)用不是一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用，而是一個(gè)復(fù)合應(yīng)用。智能手表、智能音箱、主控制器、網(wǎng)關(guān)這種當(dāng)然需要復(fù)雜的處理器來實(shí)現(xiàn)。但是IoT應(yīng)用還包含大量的傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。這種節(jié)點(diǎn)用低功耗的8位處理器來實(shí)現(xiàn)更加適合。

六、8位處理器響應(yīng)慢

這個(gè)就是完全的誤解了。典型的嵌入式應(yīng)用中，響應(yīng)速度主要跟中斷響應(yīng)和喚醒延遲相關(guān)。8位處理器有天然的優(yōu)勢(地址轉(zhuǎn)換工作量小、IP單元實(shí)現(xiàn)門數(shù)少)，至少不輸于32位的處理器。

七、8位處理器的能效低于32位處理器

曾經(jīng)看過ARM公司的權(quán)威工程師寫的一本書，書中觀點(diǎn)是32位處理器的能效比高于8位的MCU，理由是32位處理器能快速處理完任務(wù)，休眠時(shí)間的比例更大，但是這個(gè)結(jié)論包含一個(gè)假設(shè)，就是任務(wù)有一定復(fù)雜度。

如果任務(wù)本身非常簡單，喚醒過程的功耗也很大，那么這個(gè)假設(shè)不成立。針對(duì)不同應(yīng)用場景，不能簡單說8位、32位哪個(gè)能效比更高。至少在非常簡單的應(yīng)用中，8位的能效比要高。如果再加上單獨(dú)響應(yīng)，無需CPU干預(yù)的一些任務(wù)，8位的能效比甚至能高出很多。

八、相同價(jià)格的32位處理器功能遠(yuǎn)強(qiáng)于8位處理器

這個(gè)也有一定程度的可信度，但是不要忘記有相當(dāng)大的一部分應(yīng)用使用8位的MCU就已足夠，在這種情況下，非要購買平均價(jià)格高一點(diǎn)的32位 MCU，成本就會(huì)上升。對(duì)于很多基本上標(biāo)準(zhǔn)化了的嵌入式產(chǎn)品來說，8位MCU還是具有一定的成本優(yōu)勢的。

九、8位處理器設(shè)計(jì)的應(yīng)用不能適應(yīng)未來變化

這是個(gè)思維角度問題，作為嵌入式程序員，更應(yīng)該考慮當(dāng)前的任務(wù)。不管是什么類型的MCU，如果產(chǎn)品形態(tài)變化了或者需求本身變化了，就要重新設(shè)計(jì)。未來誰都看不清，何必考慮那么多沒有實(shí)際意義的前瞻。

十、8位處理器開發(fā)工作更繁重且沒有升級(jí)路徑

32位處理器的處理更加以軟件為中心，可以做更多的代碼復(fù)用。而8位處理器更多地利用硬件外設(shè)來完成任務(wù)。綜合而言，沒有絕對(duì)的差別。

只要是嵌入式處理器，升級(jí)路徑都不大明確。如果你采用既有8位，又有32位的產(chǎn)品的廠家，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多外設(shè)都很相似?？紤]到現(xiàn)在圖形化配置外設(shè)的趨勢，升級(jí)路徑逐漸變得不那么重要，反正都是圖形化或者腳本化來生成基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)代碼。

MCU(單片機(jī))按照位數(shù)主要?jiǎng)澐譃?位、8位、16位、32位及64位，位數(shù)越多，數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng)，應(yīng)用場景變得更加復(fù)雜。觀察整個(gè)應(yīng)用市場，8位和32位是兩大主流，16位則處于二者之間，目前只有部分經(jīng)典產(chǎn)品擁有存量空間。

8位MCU至今已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，一直是無數(shù)嵌入式應(yīng)用的主力，尤其是消費(fèi)產(chǎn)品和醫(yī)療器械中的應(yīng)用。2012年飛思卡爾推出號(hào)稱“8位MCU終結(jié)者“Kinetis L系列，近十年也陸續(xù)有業(yè)內(nèi)專家宣稱“8位MCU已死”。

雖然32位的MCU越做越強(qiáng)，也越做越便宜，但整個(gè)市場對(duì)于8位市場的應(yīng)用量從來沒有放緩的跡象。為什么直到現(xiàn)在，8位MCU仍未被淘汰，這其中有哪些邏輯，未來又會(huì)怎樣發(fā)展?付斌丨作者 電子工程世界(ID：EEworldbbs)丨出品

8位MCU，老兵不死

現(xiàn)在的MCU市場，充斥著矛盾。一方面，廠商們對(duì)于8位MCU的未來擁有信心：

Microchip(微芯)在今年4月宣布一項(xiàng)新的晶圓廠制造計(jì)劃，耗資8億美元將其位于美國俄勒岡州的格雷舍姆制造工廠產(chǎn)能提高兩倍;

Silicon Labs(芯科科技)在本月宣布推出全新8位微控制器(MCU)系列產(chǎn)品BB5系列;

瑞薩推出RL78/G15，繼續(xù)深耕8位MCU，但也布局16位MCU;

另一方面，全世界又在加速推出低成本的32位MCU，想要替代8位MCU：

ST(意法半導(dǎo)體)推出STM32C0，用于替代8位MCU;

靈動(dòng)微電子推出MM32F00、01系列MCU，目的也是替代8位MCU;

沁恒推出5毛的RISC-V單片機(jī)，價(jià)格極具誘惑力;

兆易創(chuàng)推出GD32VF1系列處理器;

TI(德州儀器)推出基于ARM Cortex-M0+的MSPM0系列產(chǎn)品，降低了成本、復(fù)雜性，并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，今年首次推出數(shù)十款產(chǎn)品以外，德州儀器計(jì)劃在今年推出100多款MCU;

STC明確將2023定義為32位51單片機(jī)元年，表示要全面進(jìn)軍32位MCU市場。

IC Insights數(shù)據(jù)顯示，2011年~2020年全球MCU產(chǎn)品中，4/8位MCU占比為15%。到2026年，全球4/8位MCU依然有24億美元的規(guī)模。

早在十幾年前，有人在預(yù)測8位MC即將退出市場，不過由于其成本具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)在依然在諸多領(lǐng)域大殺四方，甚至跟32位MCU市場份額在長時(shí)間里維持一種微妙平衡。在2020年中國通用型MCU市場中，8位市場占比達(dá)43%。

又便宜，又省電，誰不愛?

對(duì)很多簡單的應(yīng)用來說，8位MCU已經(jīng)足夠了，完全沒必要選擇32位，適合的產(chǎn)品才是最佳的選擇。

8位MCU的功耗、成本、體積一定比32位MCU低。

例如，智能停車場中的傳感器/指示器、聯(lián)網(wǎng)路燈、自動(dòng)化城市園藝和植物監(jiān)測，這些地方不需要那么高大上的功能，就是做個(gè)采集，對(duì)這種設(shè)備來說，更換電池是一件非常耗費(fèi)人力物力的事。8位MCU可以做到幾十nA的休眠電流，幾百nA的看門狗定時(shí)器電流和實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電流。

再比如，小型設(shè)備的優(yōu)勢和價(jià)值不僅體現(xiàn)在其降低的功耗方面，更體現(xiàn)在其更小巧的外形上，這使它們非常適合空間受限的便攜式電池供電類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。8位MCU常見封裝是20引腳超薄正方扁平無引線封裝(VQFN)，其尺寸為3x3mm，32位MCU常見封裝則是4x4mm的QFN。因?yàn)樵黾痈喙δ苄枰噙B接和更大封裝，但具有足夠功能的8位MCU可以安裝在無法使用16位或32位MCU的電路板空間中。

又比如，現(xiàn)如市面上8位MCU售價(jià)還不到1元，廠商依然能夠保持不錯(cuò)的毛利率。但對(duì)32位MCU來說，即便廠商能把價(jià)格壓到1元以下，毛利也會(huì)變得非?？蓱z。專家也曾表示，相對(duì)8位MCU，32位還沒有表現(xiàn)出足夠的性價(jià)比。

當(dāng)然，對(duì)于8位MCU來說，在硬參數(shù)上的優(yōu)勢也并非絕對(duì)。比如說，ST推出的STM32C0擁有9種小巧緊湊的封裝形式，從最小的SO8N到最大的LQFP48，從8pin到48pin，而普通MCU的引腳數(shù)很少能達(dá)到20pin以下。

工程師愛用，才是硬道理

很多工程師已經(jīng)習(xí)慣了使用8位MCU做開發(fā)，所以在選擇的時(shí)候8位自然是首選。

一個(gè)產(chǎn)品之中，使用芯片和選型的是工程師，對(duì)大部分工程師來說，如果使用8位MCU就能滿足應(yīng)用需求，專門換32位MCU，不僅意味著要重新學(xué)習(xí)一套系統(tǒng)內(nèi)容，也意味著產(chǎn)品要重新再驗(yàn)證一遍，這其中但凡出了差錯(cuò)，最終影響的都會(huì)是整個(gè)產(chǎn)品。

Silicon Labs也表示，對(duì)開發(fā)人員來說具有挑戰(zhàn)性的是，大多數(shù)8位和32位MCU使用的開發(fā)工具不同，這使得開發(fā)人員很難同時(shí)開發(fā)這兩種MCU。因此開發(fā)人員盡管不需要更強(qiáng)的計(jì)算能力，但通常會(huì)承擔(dān)額外的開發(fā)成本。

“能用8位MCU的，為什么要多此一舉換成32位MCU。原則是夠用就好，不同任務(wù)需求不同，滿足需求下也必須追求性價(jià)比?！惫こ處煴硎?，體積、功耗、成本，這些都是8位MCU存在的原因。幾毛錢的8位MCU怎么都比32位MCU便宜。我們做工程研發(fā)的，只要性能夠用就可以了，成本節(jié)約，用好用盡器件的每項(xiàng)性能才是真正該考慮的。很多8位MCU性能也很強(qiáng)大的，假如一些低端產(chǎn)品用不了那么多性能，就沒必要用32位了吧。(原帖地址：http://www.eeworld.com.cn/aPiH4yT)

一位工程師預(yù)測，8位MCU仍將在今后十年內(nèi)持續(xù)存在，每天都還會(huì)有新的8位應(yīng)用出現(xiàn)。決定集成電路價(jià)格的根本在于芯片面積，只要這個(gè)規(guī)律還在，8位MCU就不會(huì)消失，甚至不會(huì)退出主流的地位。而對(duì)M0來說，16位MCU才是取代的對(duì)象。

很多人認(rèn)為，8位MCU使用高級(jí)語言編程，會(huì)比32位MCU要困難些，主要障礙就是內(nèi)存地址的不統(tǒng)一。比如8051內(nèi)核的內(nèi)存地址就分為CODE、data、sfr、idata和xdata，涉及到banking就更為復(fù)雜，還有硬件Stack這樣“非主流”設(shè)計(jì)，但這些障礙都可以通過工具優(yōu)化來緩解。