現(xiàn)代嵌入式設(shè)計(jì)需要廣泛的功能，包括低功耗支持、高性能/吞吐量、功能豐富的外圍設(shè)備、不同的連接選項(xiàng)、大容量?jī)?nèi)部存儲(chǔ)器、可擴(kuò)展的 CPU 內(nèi)核、高代碼密度以及易于訪問(wèn)開(kāi)發(fā)工具和硬件. 由于這些選項(xiàng)在 32 位 MCU 設(shè)備中可用，因此這將是設(shè)計(jì)人員的共同選擇。

ARM 是一種流行的 32 位內(nèi)核，已獲得多家供應(yīng)商的許可。這為設(shè)計(jì)人員提供了一種獨(dú)特的靈活性，可以從一個(gè)供應(yīng)商轉(zhuǎn)移到另一個(gè)供應(yīng)商，而不必?fù)?dān)心應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境是否會(huì)發(fā)生變化。選擇 32 位設(shè)備不僅意味著找到滿足當(dāng)前系統(tǒng)要求所需的特殊外圍設(shè)備，而且還意味著確保將來(lái)能夠升級(jí)設(shè)備。使用 32 位設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)工作都集中在 32 位內(nèi)核上。

但是，您必須小心并了解如何利用 32 位 CPU 的特性來(lái)發(fā)揮您的應(yīng)用程序的優(yōu)勢(shì)。本文討論了從 8/16 位 MCU 遷移到 32 位系統(tǒng)的必要性，并探討了在遷移以縮短上市時(shí)間時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

吞吐量和 CPU 性能： 
吞吐量是 CPU 在給定時(shí)間單位內(nèi)可以處理的指令數(shù)。吞吐量越高，系統(tǒng)可以完成的工作就越多。有兩個(gè)因素決定了 CPU 在給定時(shí)間單位內(nèi)的工作能力。個(gè)是CPU執(zhí)行指令的速度。Dhrystone 基準(zhǔn)測(cè)試是一種流行的嵌入式系統(tǒng)綜合基準(zhǔn)測(cè)試，用于以 DMIPS/MHz 為單位衡量 CPU 性能。例如，表 1 顯示了不同 8 位和 32 位內(nèi)核的性能測(cè)量。毫不奇怪，32 位內(nèi)核顯示出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

表 1：CPU 性能比較

第二個(gè)因素是 CPU 在給定速度下可以處理的數(shù)據(jù)量。一個(gè) 8 位 CPU 有 8 條并行的數(shù)字線（數(shù)據(jù)總線）。 這允許 8 位 MCU每個(gè)時(shí)鐘周期僅使用 0 到 2 8 (255) 之間的值。相比之下，32 位 CPU 有 32 條并行數(shù)字線，允許它在 每個(gè)時(shí)鐘周期處理從 0 到 2 32 (4,294,967,295) 的值。這顯示了 32 位架構(gòu)在處理能力方面優(yōu)于 8 位架構(gòu)的重要性。

這對(duì)執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的效率有影響。32 位 MCU 在處理長(zhǎng)于 8 位的數(shù)字的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)效率更高。與 32 位 CPU 相比，使用 8 位 MCU 實(shí)現(xiàn) 32 位數(shù)字的數(shù)學(xué)運(yùn)算需要更多的 CPU 周期。這可能會(huì)影響電路的性能，具體取決于您的應(yīng)用程序的處理強(qiáng)度和計(jì)算量。

憑借其更大的數(shù)據(jù)總線，32 位 MCU 還可以訪問(wèn)更大的內(nèi)存空間。與 8 位 MCU 相比，32 位數(shù)據(jù)路徑還可以更快地復(fù)制大塊數(shù)據(jù)，因?yàn)?32 位 MCU 能夠處理四倍的數(shù)據(jù)。對(duì)于主要功能是將數(shù)據(jù)從一個(gè)地方流式傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的應(yīng)用程序（例如，實(shí)現(xiàn) UART 到 USB 橋），32 位 MCU 比 8 位 MCU 更合適。

表 2：8 位與 32 位的數(shù)據(jù)/內(nèi)存訪問(wèn)能力

功耗： 
對(duì)于電池供電的嵌入式系統(tǒng)，功耗是您需要在設(shè)計(jì)早期考慮的關(guān)鍵因素。雖然 CPU 的數(shù)據(jù)表可能會(huì)提供一些關(guān)于有源電流和某些低功耗模式電流消耗數(shù)字的見(jiàn)解，但平均功率終決定了給定應(yīng)用程序的效率。借助的工藝技術(shù)，與 8 位 MCU 相比，32 位 MCU 不再耗電。此外，32 位 MCU 在給定時(shí)間內(nèi)能夠比 8 位 MCU 完成更多的工作，因?yàn)樗鼈兠總€(gè)時(shí)鐘可以處理更多的數(shù)據(jù)位并實(shí)現(xiàn)更高的代碼密度。因此，與 8 位處理器相比，32 位處理器可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成給定任務(wù)并更快地返回低功耗模式，從而改善整體功耗。

32 位 MCU 可以快速處理指令，使 CPU 能夠從低功耗睡眠模式喚醒、處理和傳輸數(shù)據(jù)，并盡快返回睡眠狀態(tài)。圖 1 和圖 2 顯示了一個(gè)這樣的示例，其中 32 位 MCU 的平均功耗優(yōu)于 8 位 MCU。

圖 1：平均功耗的 32 位 MCU 示例

圖 2：平均功耗的 8 位 MCU 示例

驅(qū)動(dòng)總線線路需要對(duì)總線電容進(jìn)行充電和放電。因此，需要的總線活動(dòng)越多，消耗的功率就越多。驅(qū)動(dòng) 32 條線會(huì)比 8 條線消耗更多的功率，因此顯然 8 位 CPU 具有功率優(yōu)勢(shì)。但是，如果需要大于 8 位的常量，則需要多次訪問(wèn)。不僅數(shù)據(jù)線需要多次充電，地址線也是如此。圖 3 顯示了一個(gè) 8 位 MCU 的示例，其中地址總線必須更改 4 次才能執(zhí)行 32 位數(shù)據(jù)傳輸：

圖 3：使用 8 位 CPU 的 32 位數(shù)據(jù)傳輸

 
在這種情況下，32 位處理器將只需要內(nèi)存訪問(wèn)（也可以更快地切換到低功耗模式），因此全局功耗更低。

圖 4：使用 32 位 CPU 進(jìn)行 32 位數(shù)據(jù)傳輸

32 位 MCU 架構(gòu)的進(jìn)步導(dǎo)致引入了低功耗模式。例如，根據(jù)內(nèi)核的不同，32 位 MCU 可以一直運(yùn)行到 20 nA。與 8 位內(nèi)核相比，這些低功耗模式有助于降低 32 位內(nèi)核的平均功耗。表 3 和表 4 顯示了 8 位和 32 位 MCU 的各種低功耗模式的示例。

表 3：8 位 MCU 低功耗模式示例

表 4：32 位 MCU 低功耗模式示例

從這些表中可以看出，32 位架構(gòu)提供了多種功耗模式來(lái)優(yōu)化應(yīng)用程序級(jí)別的功耗。

先進(jìn)的模擬和數(shù)字外設(shè)： 
隨著行業(yè)從 8 位向 32 位發(fā)展，原始設(shè)備制造商不僅期望 CPU 提供更高的性能和功率，而且還希望在不增加系統(tǒng)成本或尺寸的情況下尋找先進(jìn)的模擬和數(shù)字外設(shè)。這些要求促使業(yè)界將主控制器和獨(dú)立外圍控制器集成到單個(gè)芯片中。盡管要求因您設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特定細(xì)分市場(chǎng)而異，但與主控制器集成的外圍設(shè)備的基本需求保持不變。

考慮一個(gè)示例應(yīng)用程序，例如現(xiàn)代洗衣機(jī)。OEM 需要實(shí)施差異化功能，例如圖形顯示、液位檢測(cè)、滾筒振動(dòng)分析、多電機(jī)控制、帶感應(yīng)傳感器的門(mén)鎖、水泵控制和安全功能（例如電壓/電流硬件監(jiān)控）全部開(kāi)啟一個(gè)芯片。大批量應(yīng)用對(duì)功能的需求促使芯片制造商將這些功能與各種模擬、數(shù)字和連接外設(shè)集成到他們的 CPU 中。

圖 5：家用電器（洗衣機(jī)）單芯片示例

圖 6 顯示了一個(gè)基于 ARM 的 MCU 設(shè)備示例，適用于控制洗衣機(jī)中實(shí)現(xiàn)的某些功能。

圖 6：用于洗衣機(jī)應(yīng)用的基于 ARM 的 MCU 示例

從 8 位到 32 位的另一個(gè)重要行業(yè)是可穿戴產(chǎn)品?？纱┐髟O(shè)備通常需要一個(gè)可以作為主處理器工作的 CPU，能夠與一組豐富的傳感器（例如心率傳感器、GPS、運(yùn)動(dòng)傳感器和環(huán)境傳感器）連接，具有外部存儲(chǔ)器，并包括電容式觸摸板接口、音頻接口和顯示驅(qū)動(dòng)程序以及對(duì)無(wú)線（BLE 或 Wi-Fi）連接的支持。圖 7a 顯示了可穿戴健身監(jiān)測(cè)器的示例，以及單芯片 32 位 MCU 如何集成主 MCU、模擬前端 (AFE)、數(shù)字邏輯和 BLE 無(wú)線電。這些功能使設(shè)備能夠通過(guò) BLE 連接到傳感器集線器，連接多個(gè)模擬和數(shù)字傳感器，并驅(qū)動(dòng)基于 PWM 的振動(dòng)電機(jī)。 

圖 7a：可穿戴健身追蹤器單芯片示例

圖 7b：可穿戴健身追蹤器芯片框圖

設(shè)備內(nèi)部框圖（圖 7b）顯示了 Cortex-M0 設(shè)備中的組件，這些組件使其能夠支持各種可穿戴產(chǎn)品，例如運(yùn)動(dòng)和健身監(jiān)視器、游戲控制器、醫(yī)療設(shè)備以及其他基于傳感器的低功耗系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)。器件的主要特性是用于提高性能的 MCU、可編程 AFE，包括運(yùn)算放大器、PGA、比較器、濾波器、ADC、用于自定義數(shù)字外設(shè)的可編程數(shù)字邏輯、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM 和多個(gè)接口（SPI、I2C和 UART）。這種集成水平簡(jiǎn)化了總體設(shè)計(jì)、降低了成本并增加了功能，使 32 位架構(gòu)成為當(dāng)今許多應(yīng)用程序的理想選擇。

在本文中，我們討論了 32 位系統(tǒng)在性能、功耗和模擬、數(shù)字外設(shè)方面的幾個(gè)好處。

在這個(gè)由兩部分組成的系列的第二篇文章中，我們將介紹現(xiàn)代軟件工具、硬件開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)和現(xiàn)成的固件堆棧以及代碼示例如何簡(jiǎn)化 32 位系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。