性能需求直觀，特別是在開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序時。大多數(shù)設(shè)計團(tuán)隊面臨的挑戰(zhàn)是了解性能是多少，這本質(zhì)上取決于兩件事：所需的功能及其實現(xiàn)方式。雖然實現(xiàn)主要是在軟件中，但微控制器的部分價值在于外設(shè)在接口方面做了很多繁重的工作。然而，操縱這些接口提供的信息會給核心本身帶來更大的壓力和壓力。

更高的性能需要付出代價;但由于微控制器往往是在完善的工藝節(jié)點上制造的，因此成本通常用系統(tǒng)級功率來衡量，而不是用元件級美元和美分來衡量。為某一特定應(yīng)用選擇最佳微控制器可以說是有爭議的隨著最終用戶的需求，選擇范圍和功能深度不斷擴大，變得越來越困難。

MCU應(yīng)用的發(fā)展

領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商在過去十年中面臨著一段時間的采用或因此，提供基于32位處理核心的全面MCU組合。雖然ARM?的Cortex?-M系列在這個領(lǐng)域流行，但它并不是唯一的選擇，并且仍然存在多種專有架構(gòu)。也許其中最突出的是來自瑞薩的SuperH家族。值得注意的是，雖然瑞薩和其他公司也采用ARM架構(gòu)來生產(chǎn)互補的32位系列，但它們?nèi)匀惶峁?位和16位MCU，預(yù)計需求將持續(xù)數(shù)年。 》部分需求來自特定細(xì)分市場;包括那些提到的許多設(shè)備制造商已將電機控制確定為跨越工業(yè)控制和汽車市場的重要水平部分。因此，許多仍然運行專有核心的MCU專注于這些市場，而那些具有更通用ARM架構(gòu)的MCU則針對具有不同基本要求的領(lǐng)域，包括物聯(lián)網(wǎng)和M2M。

在這十年中采用這些相同的供應(yīng)商時，他們對現(xiàn)實世界對于成熟的8位和16位器件的更昂貴和復(fù)雜的32位替代品的需求持懷疑態(tài)度。雖然這些批評是有根據(jù)的，但隨著時間的推移，成本主題在很大程度上受到了規(guī)模經(jīng)濟和流程成熟的侵蝕?？梢哉f，復(fù)雜性的主題仍然存在。但是，最終應(yīng)用程序的復(fù)雜性上升總是合理的，這主要是由于通信。嵌入式設(shè)備隨著更高級別的連接性的發(fā)展而發(fā)展，因此現(xiàn)在任何電子設(shè)備都不能以某種方式與外界進(jìn)行通信。當(dāng)今高級通信的地方特性，無論是有線還是無線，通常涉及標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，以便提供互操作性和物理接口。根據(jù)通信接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這可能相對復(fù)雜，因此需要更高的處理能力才能執(zhí)行。

當(dāng)然，更大的連接性并不是嵌入式設(shè)備在過去十年左右的唯一演變。通過連接，可以在更大的系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，鼓勵開發(fā)人員將更多功能集成到更小的外形，功率包絡(luò)和財務(wù)預(yù)算中。通信占據(jù)了相對較大比例的可用處理能力，這導(dǎo)致了對功能更強大的設(shè)備的需求，半導(dǎo)體供應(yīng)商通過采用更大，更復(fù)雜的處理器內(nèi)核來應(yīng)對這種需求。

測量性能

不幸的是，評估“標(biāo)準(zhǔn)”函數(shù)（如運行協(xié)議棧）所需的性能量是完全主觀的。最終，它在很大程度上取決于核心，子系統(tǒng)和編譯器。由于這個原因，相對適中的8位器件可能能夠執(zhí)行代碼，但是接受更寬指令的流水線，通常允許多個指令同時執(zhí)行，或者需要更少的時鐘周期來執(zhí)行，可以顯著加快執(zhí)行速度。 br》當(dāng)考慮上述特征時，通過應(yīng)用較少使用這些特征的算法，可以評估“原始”性能。這通常是行業(yè)基準(zhǔn)的目標(biāo)，例如EEMBC的CoreMark。這個簡單的C代碼庫的目標(biāo)是提供讀/寫，整數(shù)和控制操作的真實混合，這些操作更多地依賴于核心的基本元素，并且不能通過編譯器優(yōu)化輕易地消除。

基準(zhǔn)測試給出了單個品質(zhì)因數(shù)，但它可以用時鐘速度表示，提供另一個標(biāo)準(zhǔn)化水平。選擇通過相對較窄的窗口（2.51至3.00 CoreMark/MHz）過濾結(jié)果顯示了一系列32位設(shè)備，包括瑞薩的RX600系列; Microchip的PIC32系列; STM32來自意法半導(dǎo)體;飛思卡爾的Kinetis K系列; Atmel的SAM3和SAM4系列;圖1：瑞薩的RX600 32位MCU系列實現(xiàn)了CMOS攝像頭接口。

EEMBC建議CoreMark基準(zhǔn)測試比其他產(chǎn)品更準(zhǔn)確，如圖1所示：來自瑞薩科技的OMAP35x。因為它是所有設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，并且強烈關(guān)注核心架構(gòu)。

8位和16位器件的架構(gòu)將始終難以在核心級別與32位同類產(chǎn)品競爭，原因在于它們相應(yīng)地相應(yīng)吞吐量較低;在大數(shù)字上執(zhí)行的算術(shù)函數(shù)在僅有8位的ALU中總是需要更長的時間。然而，許多制造商已經(jīng)竭盡全力延長這些設(shè)備的使用壽命，主要是因為它們?nèi)阅軡M足客戶的要求，而不會增加復(fù)雜性或不必要的性能。

圖2：STM32 -L系列使用Cortex-M3來瞄準(zhǔn)超低功耗應(yīng)用。

這通常通過對核心架構(gòu)的創(chuàng)新擴展來實現(xiàn)，同時保留指令集。這方面的一個例子來自Silicon Labs，其基于8051的設(shè)備如C8051F12x。 SiLabs實施了一種“硬連線”8051指令集架構(gòu)，可提高性能，同時保持與原始微編碼版本的目標(biāo)代碼兼容性。使用兩級流水線可提高吞吐量，保留8位程序存儲器寬度，但大多數(shù)指令可在1或2個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。 SiLabs表示，它的性能是原始8051內(nèi)核的20到25倍，峰值吞吐量高達(dá)100 MIPS。同樣，Atmel的AT89LP系列是8051兼容系列，該公司聲稱可以提供高達(dá)12倍于‘vanilla’8051設(shè)備的性能。 Atmel專有的8位架構(gòu)AVR為包括ATmega128在內(nèi)的器件供電，可提供真正的單時鐘周期執(zhí)行，并提供1 MIPS/MHz。根據(jù)EEMBC的結(jié)果，運行頻率為2 MHz的ATmega1281的CoreMark/MHz數(shù)值為0.18，當(dāng)編譯器配置為優(yōu)化代碼大小時，其數(shù)值上升至0.44。這與某些32位設(shè)備相當(dāng)，并說明了性能如何依賴于應(yīng)用程序向上移動總線寬度

由于性能在很大程度上依賴于總線體系結(jié)構(gòu)，因此在沿性能曲線遷移時保持代碼兼容性可能會在較低級別上具有挑戰(zhàn)性。正如Silicon Labs和Atmel所證明的那樣，重新實現(xiàn)指令集以提供更高的性能可以克服這一挑戰(zhàn)，但隨著對性能的需求不斷加快，傳統(tǒng)指令集將不太可能滿足這種需求。 br》投資專有架構(gòu)可提供更大的性能擴展空間，同時保持軟件兼容性;例如，德州儀器（TI）的MSP430系列基于16位RISC內(nèi)核。該系列涵蓋九個不同的系列，從低電壓和超值系列到FRAM和RF SoC系列。這種廣度提供了各種性能點，通過每個器件提供的集成度，外設(shè)集和時鐘頻率提供。

雖然低級代碼兼容性主要取決于架構(gòu)，但高級兼容性更簡單，主要是由于普遍性C和C編譯器的可用性。軟件復(fù)雜性的本質(zhì)意味著今天大多數(shù)MCU使用C編程為高級，而不是使用低級（匯編）語言。

圖3：MSP430價值線目標(biāo)是低成本，同時提供更高性能的遷移路徑。

雖然仍然存在特定于體系結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系，但這樣可以更大的自由來定位同一個系列的不同成員甚至是完全不同的系列。當(dāng)然，這也是ARM的Cortex-M系列被大量設(shè)備制造商成功采用的另一個原因。這得益于ARM和設(shè)備制造商提供的軟件開發(fā)環(huán)境和庫。其不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)也使供應(yīng)商和開發(fā)商受益。

圖4：Atmel的SAM4L系列將Cortex-M4的更高性能與Atmel的微電源技術(shù)相結(jié)合。需求

對更高性能的持續(xù)需求意味著設(shè)備制造商現(xiàn)在在單個設(shè)備上集成了更多功能。雖然仍在不斷涌現(xiàn)，但它采用的是異構(gòu)和同構(gòu)的多核MCU，其中多個相同的內(nèi)核或多個但不相似的內(nèi)核集成在一個設(shè)備中。

雖然這在針對移動電話領(lǐng)域的特定應(yīng)用SoC中并不少見，但在通用設(shè)備中卻不常見。然而，許多設(shè)備制造商認(rèn)為，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的推動下，它將變得更加普遍。物聯(lián)網(wǎng)還將促進(jìn)“智能”傳感器的更大部署，每個傳感器都可能具有高性能，32位嵌入式MCU。反過來，這些將與傳感器集線器進(jìn)行通信（最有可能是無線傳輸），傳感器集線器將具有更高性能的處理器，能夠連接和控制傳感器網(wǎng)絡(luò)。

隨著這一趨勢的持續(xù)，預(yù)計需求也將推動性能進(jìn)一步提高，最終達(dá)到了64位內(nèi)核的MCU成為常態(tài)。

結(jié)論

性能是主觀的;許多應(yīng)用程序仍然只需要簡單的控制，有限的連接，沒有“硬實時”要求。然而，隨著世界變得更加緊密，更復(fù)雜的通信協(xié)議所強加的要求將繼續(xù)提高性能標(biāo)準(zhǔn)。今天，一些8位和許多16位器件能夠滿足這種需求，而32位器件提供了巨大的空間。

今天，這個空間可能是許多應(yīng)用無法承受的奢侈品;成本優(yōu)化仍將指向更簡單的設(shè)備。雖然通信協(xié)議不太可能“突然”變得更加計算密集，但最終應(yīng)用程序在復(fù)雜性方面處于不可阻擋的上升曲線，這將迅速消耗當(dāng)前可用的任何處理空間。

所有這些都指向更廣泛地采用32位架構(gòu)，除此之外，還有更復(fù)雜的微控制器。