隨手拈來：32位處理器致力8位應(yīng)用

　　事實(shí)上， 0.18mm和0.18mm以下制造工藝，能使半導(dǎo)體制造商生產(chǎn)出與高端8位處理器成本相當(dāng)?shù)?32 位微控制器。Atmel公司 和 Philips公司 現(xiàn)在供應(yīng)的基于 ARM7 的微控制器，包括專有體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展與直接滿足高端8位系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)者需求的各種特性在內(nèi)，其售價(jià)只有3美元。但這一舉動(dòng)并不標(biāo)志著 8 位微控制器開始?jí)劢K正寢。事實(shí)上，幾乎沒有8位和16位應(yīng)用系統(tǒng)將會(huì)轉(zhuǎn)移到較大體系結(jié)構(gòu)的。
　　新的8 位微控制器在功能和性能上繼續(xù)在提高——達(dá)到 100 MIPS，而32位處理器在性能和成本方面則不斷下降（見附文《壓榨 16 位結(jié)構(gòu)》）。廉價(jià)32 位微控制器的可能性不會(huì)改變處理器體系結(jié)構(gòu)的評(píng)估過程，但確實(shí)會(huì)增加設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可用的實(shí)現(xiàn)方法的數(shù)量。這些廉價(jià) 32 位處理器的可用性可能標(biāo)志著一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域——灰色領(lǐng)域的開始。在這一灰色領(lǐng)域內(nèi)，選擇較小的還是較大的處理器體系結(jié)構(gòu)不再是事先準(zhǔn)備好的。
　　選擇合適的微控制器是影響設(shè)計(jì)項(xiàng)目成功的一個(gè)重大決策。目標(biāo)就是所選的微控制器體系結(jié)構(gòu)能最大程度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，并使總的系統(tǒng)成本降到最低，其中包括使用該處理器進(jìn)行現(xiàn)在和未來設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)要求和資源需求。雖然價(jià)格和性能是主要考慮因素，但其它因素，例如體系結(jié)構(gòu)是否內(nèi)含最適宜的存儲(chǔ)器與外設(shè)組合，是否適用于低功耗應(yīng)用等，也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)造成影響。設(shè)計(jì)師還要確定：處理器及其相應(yīng)的開發(fā)工具是否會(huì)降低不能按時(shí)完成設(shè)計(jì)或面市的風(fēng)險(xiǎn)；器件系列在價(jià)格、功能與性能諸方面能否按比例升降，從而，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更快地對(duì)市場變化作出響應(yīng)。

　　為什么要轉(zhuǎn)移？
　　具有8 位內(nèi)核的微控制器能成功地支持各種需要電動(dòng)機(jī)控制功能、簡單傳感器和開關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。這些微控制器也應(yīng)用于低端消費(fèi)類產(chǎn)品中，并能替代機(jī)械測量儀器?，F(xiàn)在仍有20多家 8 位處理器廠商在始終如一地、定期地推出新的器件和系列，而且對(duì)大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)來說，8 位體系結(jié)構(gòu)是綽綽有余的。雖然如此，有幾種推動(dòng)力仍在驅(qū)使32位體系結(jié)構(gòu)向下打入高端 8 位和 16 位處理器市場。
　　提高計(jì)算性能和加大存儲(chǔ)容量是驅(qū)使8 位設(shè)計(jì)向更寬體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的主要推動(dòng)力。人們需要更高效的電動(dòng)機(jī)控制器來滿足能源標(biāo)準(zhǔn)，這一要求正在提升一些電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算性能要求。加密技術(shù)使用的增長也正在提高計(jì)算性能要求。支持上網(wǎng)并需要網(wǎng)絡(luò)棧的智能設(shè)備正在提高內(nèi)存的要求。為保持靈活性，有些應(yīng)用系統(tǒng)正在用 8 位或 16 位處理器來實(shí)現(xiàn)各種功能，如音頻解碼、圖像處理以及作為軟件而不是外部硬件的軟調(diào)制解調(diào)器。支持多功能的應(yīng)用系統(tǒng)可能需要采用 RTOS 來管理復(fù)雜的功能，這會(huì)提高對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的要求。
　　8 位體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)寬度會(huì)限制這些器件完成實(shí)時(shí)計(jì)算的數(shù)量。一只 8 位處理器必須以更快的速度運(yùn)行才能處理各種更寬的數(shù)據(jù)，而 16 位和 32 位處理器采用一種寄存器和總線結(jié)構(gòu)來更自然地處理起這些較寬的數(shù)據(jù)。有些 32 位處理器可以進(jìn)行 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）算術(shù)運(yùn)算，可同時(shí)處理多個(gè) 8 位數(shù)據(jù)。8 位處理器要支持這些應(yīng)用系統(tǒng)不斷加大的計(jì)算負(fù)載，外部硬件擴(kuò)展就必須承擔(dān)更重的工作。
　　地址寄存器的存儲(chǔ)容量會(huì)限制8 位或16位體系結(jié)構(gòu)的可尋址存儲(chǔ)空間。當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)容量的需求超過64k字節(jié)時(shí)，使用8位或16位處理器就不太合理了。有些8位體系結(jié)構(gòu)支持64k字節(jié)以上甚至達(dá)到1M字節(jié)的可尋址內(nèi)存，但超出64k字節(jié)的地址空間會(huì)增加復(fù)雜性，因?yàn)樗枰幚砹硗庖粚又羔樆驅(qū)拇嫫鬟M(jìn)行分頁。 8位處理器的網(wǎng)絡(luò)棧可通過特許獲得使用，但必定會(huì)失去對(duì)某些功能的支持，才能適應(yīng)有限的存儲(chǔ)器安裝空間。有些小尺寸的 RTOS也同樣要在特性與硬件復(fù)雜性之間作出折衷以支持小的存儲(chǔ)器安裝空間。
　　成本不是唯一因素
　　雖然存在著應(yīng)用系統(tǒng)要負(fù)擔(dān)日益增加的計(jì)算負(fù)荷和可尋址存儲(chǔ)需求這樣的發(fā)展趨向，但 與廉價(jià)的32位處理器相比，8 位處理器仍然具有某些優(yōu)點(diǎn)。8位器件之所以采用包括 0.5mm工藝在內(nèi)的較老式的制造技術(shù)，乃是因?yàn)樗鼈兡軐?shí)現(xiàn)較低的價(jià)格，而且還因?yàn)椴捎眯〉枚嗟募庸こ叽鐣?huì)帶來不利的影響。一方面，尺寸比較大，漏電流就較小。另一方面，大多數(shù)8位器件包含的模擬外設(shè)也不會(huì)因加工尺寸的減小而縮小。
　　德州儀器公司微控制器營銷總監(jiān) Mark Buccini 指出：“用 0.18mm和0.18mm以下制造技術(shù)制造的各種器件，其漏電流會(huì)限制它們?cè)诘凸南到y(tǒng)中的應(yīng)用?！笔聦?shí)上，將 8 位處理器和 32 位處理器等待機(jī)狀態(tài)功耗值（已公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）作一個(gè)對(duì)比，就可以看出 8 位處理器要比32位處理器低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)要求處理器基本上保持待機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)來說，這一差別是很重要的，而且會(huì)隨著 32 位處理器采用更小尺寸的制造工藝而變得更加明顯。
　　8 位體系結(jié)構(gòu)規(guī)定用較少位數(shù)進(jìn)行運(yùn)行，所以其代碼密度高于 16 位和 32 位體系結(jié)構(gòu)。為提高代碼密度，有些 32 位體系結(jié)構(gòu)采用 16 位體系結(jié)構(gòu)模式作為折衷方法；這些 16 位指令集只支持最常用的指令。為了使用這些 16 位指令，處理器可能需要一個(gè)運(yùn)行模式切換開關(guān)，這就會(huì)增加軟件代碼的復(fù)雜性，并帶來開關(guān)所引起的時(shí)間延遲。ARM Thumb2 指令集與原來的 Thumb 指令集相比改進(jìn)了執(zhí)行性能。對(duì)8位和32位兩種處理器上由編譯器產(chǎn)生的代碼的代碼密度進(jìn)行比較并不是一目了然的，因?yàn)榇a密度測量編譯器效率的精度常常要比處理器可用指令集更高。