作者：e絡(luò)盟   Ankur Tomar，飛思卡爾    Anthony Huereca

e絡(luò)盟社區(qū)致力于服務(wù)設(shè)計(jì)工程師已有8年時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，技術(shù)不斷發(fā)展，32位架構(gòu)上市，使得工程師能夠前所未有地推進(jìn)其設(shè)計(jì)，我們也得以親眼見(jiàn)證了微控制器市場(chǎng)的發(fā)展變化。

在全世界每天使用的數(shù)十億件嵌入式設(shè)備中，許多仍然采用傳統(tǒng)的8位和16位微控制器。很多嵌入工程師是跟著這些較老的架構(gòu)一起成長(zhǎng)起來(lái)的，這些架構(gòu)成本低、功耗低而且十分簡(jiǎn)單，即使32位設(shè)備發(fā)展迅猛也沒(méi)有妨礙它們的受歡迎程度。但是，32位設(shè)備聲望漸隆，我們有必要對(duì)這個(gè)新架構(gòu)的差異、優(yōu)勢(shì)和機(jī)遇進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

現(xiàn)在，每個(gè)新項(xiàng)目都需要先回答下列問(wèn)題：繼續(xù)采用8位架構(gòu)會(huì)錯(cuò)過(guò)什么？32位架構(gòu)能夠提供什么？32位設(shè)備目前占據(jù)著嵌入式MCU銷(xiāo)售的領(lǐng)先地位，我們是否應(yīng)該立即采取行動(dòng)以避免落后？

幸運(yùn)的是，我們的行業(yè)創(chuàng)新永無(wú)止境。有了Freescale®（飛思卡爾）、Atmel®、NXP®及其它設(shè)備所采用的ARM® Cortex®- M0+等內(nèi)核，32位處理器就能夠媲美傳統(tǒng)8/16位MCU的實(shí)力，同時(shí)還能夠提供眾多的優(yōu)勢(shì)，讓升級(jí)變得極具吸引力。Cortex-M0+內(nèi)核為轉(zhuǎn)換而生，它的32位功能可將項(xiàng)目提升到一個(gè)全新的高度。 

為什么要向32位轉(zhuǎn)換？

如果你問(wèn)學(xué)工程的新生為什么要從8位向32位轉(zhuǎn)換，那么你可能會(huì)得到這么一個(gè)明確的答案：32位是8位的4倍，位越高當(dāng)然越好！實(shí)際上事情并非那么簡(jiǎn)單，不過(guò)32位MCU十分重要自有其很多令人信服的理由，即使對(duì)于“傳統(tǒng)的”8位和16位項(xiàng)目來(lái)說(shuō)也是如此。 

• 提高性能：向32位內(nèi)核轉(zhuǎn)換之后，相對(duì)于目前使用的8位和16位架構(gòu)來(lái)說(shuō)，每MHz性能可以提高2-40倍。你可以獲得更快的32位數(shù)學(xué)運(yùn)算處理速度，以及單周期32位乘法運(yùn)算。而且，你還可以獲得單周期IO，用于位拆裂和軟件協(xié)議仿真。

所有這些功能開(kāi)啟了全新的可能性，涉及軟件堆棧（USB、藍(lán)牙等）、RTOS、高級(jí)UI等等，而且還剩余充足的處理能力用于應(yīng)用軟件的自定義功能。

• 提高能源效率：Cortex-M0+內(nèi)核效率極高，其Coremark/mA較8位或16位競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)品高達(dá)2倍。嵌入式系統(tǒng)結(jié)合這種強(qiáng)大的Cortex-M0+內(nèi)核，可以更快地完成任務(wù)并返回睡眠模式，從而節(jié)省能源。

即使睡眠模式也能夠很好地節(jié)省功耗：在飛思卡爾Kinetis® L 系列產(chǎn)品上進(jìn)入9種模式中的最深度睡眠模式時(shí)，其功耗低至<1uA。而且，由于Kinetis系列產(chǎn)品上的外圍模塊采用智能設(shè)計(jì)，因此你可以在不喚醒內(nèi)核的情況下做更多的事情，從而進(jìn)一步節(jié)省功耗。

• 提高代碼密度：似乎違反直覺(jué)的是，使用32位處理器將導(dǎo)致代碼長(zhǎng)度減小。不過(guò)，Cortex-M0+內(nèi)核使用Thumb-2指令，其中許多指令僅占用16位閃存。而且請(qǐng)記住，8位處理器上的許多指令實(shí)際長(zhǎng)于8位。此外，視具體應(yīng)用而定，8位指令的多個(gè)字節(jié)可以用32位MCU的一個(gè)指令取代，就像下面的16位乘法運(yùn)算一樣。

結(jié)果顯示，向使用Thumb-2指令的32位架構(gòu)轉(zhuǎn)換，可以極大地提高代碼密度。

• 可擴(kuò)展：當(dāng)項(xiàng)目和性能需要提升時(shí)，捆綁于某個(gè)制造商提供的某個(gè)8位架構(gòu)的裝置不再是妨礙。32位設(shè)備注重C碼而非裝置，因此減少了開(kāi)發(fā)和調(diào)試的時(shí)間，并且可以更加簡(jiǎn)便地將代碼移植至新的設(shè)備。隨著32位ARM MCU在全世界廣泛普及，軟件生態(tài)系統(tǒng)將變得十分龐大，并且還將不斷擴(kuò)展。 
  

但是……

你覺(jué)得這一切聽(tīng)起來(lái)真不錯(cuò)，但我仍然需要8/16位MCU為我的應(yīng)用提供較小的尺寸、較低的成本和易于使用的特點(diǎn)。幸運(yùn)的是，32位MCU也能夠做到這些：

• 尺寸：正如飛思卡爾Kinetis KL03系列產(chǎn)品上所見(jiàn)，32位MCU的尺寸小至1.6x2.0毫米，是世界上最小的ARM MCU，所以非常小的尺寸也能夠提供卓越的32位性能。
  

• 成本：設(shè)備起步價(jià)低至0.49美分，所以32位MCU甚至可以用于此前望成本興嘆的各種應(yīng)用。而且因?yàn)榇a密度提高，所以需要的閃存也比較少。

• 復(fù)雜性：令人稱(chēng)奇的是，32位架構(gòu)在某些方面實(shí)際上更為簡(jiǎn)單。有了32位地址空間，便無(wú)需對(duì)內(nèi)存地址進(jìn)行分頁(yè)，所以可以直接訪問(wèn)。Cortex-M0+內(nèi)核架構(gòu)擁有一個(gè)全功能干擾控制器，可簡(jiǎn)化干擾處理。此外，32位架構(gòu)還附帶一個(gè)追蹤緩存，可以方便調(diào)試，并給希望繼續(xù)使用裝置的用戶僅提供56條指令，這樣一來(lái)，向32位“跨躍”的一大步從復(fù)雜性的角度來(lái)說(shuō)更像是一小步。

利用32位開(kāi)展開(kāi)發(fā)工作：

使用32位ARM內(nèi)核的主要優(yōu)勢(shì)之一，在于海量的可用軟件和硬件，其中包括大量兼容的編譯器和調(diào)試器。當(dāng)項(xiàng)目在Cortex-M0+和更為強(qiáng)大的Cortex-M4等內(nèi)核之間進(jìn)行調(diào)整時(shí)，我們可以十分簡(jiǎn)便地重復(fù)使用各種硬件和軟件。此外，因?yàn)轱w思卡爾Kinetis MCU引腳和模塊具備兼容性，并且該系列的設(shè)備數(shù)以百計(jì)，所以沿著性能/閃存曲線上下移動(dòng)非常簡(jiǎn)便。

飛思卡爾進(jìn)一步促進(jìn)了32位的開(kāi)發(fā)工作，推出了Processor Expert®軟件建模工具和MQX™-Lite實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），有助于迅速啟動(dòng)和推進(jìn)全新的32位項(xiàng)目。Processor Expert軟件建模工具是一種GUI補(bǔ)充工具，用于代碼生成，可創(chuàng)建客戶化的驅(qū)動(dòng)程序，從而極大地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的簡(jiǎn)化版，專(zhuān)門(mén)針對(duì)內(nèi)存低于4KB的微控制器設(shè)計(jì)。RTOS驅(qū)動(dòng)程序來(lái)自于Processor Expert軟件建模工具，MQX-Lite RTOS是MQX RTOS的子集，因此未來(lái)可輕松升級(jí)至更為強(qiáng)大的設(shè)備。它很好地補(bǔ)充了Processor Expert軟件建模工具，而且對(duì)于帶有USB功能的設(shè)備，它還提供一個(gè)USB補(bǔ)充堆棧。

 下一步

現(xiàn)在你想嘗試一下32位架構(gòu)，但是應(yīng)該從哪里著手呢？

幸好，有許多主板提供很好的32位評(píng)估平臺(tái)，你花不到一個(gè)匹薩的錢(qián)就能夠買(mǎi)到。FRDM-KL05Z非常適合你初涉32位領(lǐng)域，它引腳兼容飛思卡爾的8位S08設(shè)備。FRDM-KL26Z增加了USB和更多先進(jìn)的外圍模塊，而FRDM-KL46Z還進(jìn)一步支持USB和segment LCD。或者，如果5V IO和電氣可靠性對(duì)于你的應(yīng)用至關(guān)重要，那么FRDM-KE02就是你要找的主板。

所有這4個(gè)薄荷錫盒大小的主板均為Cortex-M0+內(nèi)核，并采用了Processor Expert軟件建模工具、MQX-Lite RTOS、USB補(bǔ)充堆棧等。此外，這些主板還內(nèi)置了一個(gè)稱(chēng)為OpenSDA的調(diào)試電路，所以一條簡(jiǎn)單的USB電纜便可提供你所需要的全部調(diào)試、串行通信和閃存編程功能。

而且，這些主板以及整個(gè)飛思卡爾Freedom開(kāi)發(fā)平臺(tái)系列均兼容Arduino™擴(kuò)展板，并可提供數(shù)字與模擬IO引腳。MEMS傳感器評(píng)估套件很好地說(shuō)明了其中的各種可能性，它將FRDM-KL25Z飛思卡爾Freedom開(kāi)發(fā)平臺(tái)和MEMS傳感器評(píng)估擴(kuò)展板相結(jié)合，使Kinetis L MCU能夠獲得各種先進(jìn)的傳感器，以便探索周?chē)氖澜纭?br />

在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，務(wù)必和其他工程師保持密切聯(lián)系，e絡(luò)盟社區(qū)可以提供這方面的支持。通常，你所面臨的問(wèn)題，其他工程師已經(jīng)有了解決方案，從這一點(diǎn)上來(lái)講，網(wǎng)絡(luò)社區(qū)是一個(gè)不錯(cuò)的資源。

32位的未來(lái)

科技從未停止進(jìn)步，越來(lái)越多的嵌入式應(yīng)用將采用32位MCU，這種趨勢(shì)只會(huì)加速。從開(kāi)發(fā)套件到原型機(jī)和制造的每個(gè)設(shè)計(jì)流程階段，e絡(luò)盟均為工程師提供支持，確保他們?cè)谶x擇遷移至32位架構(gòu)時(shí)胸有成竹。較高的性能、卓越的功率效率以及更好的代碼密度，現(xiàn)在就邁開(kāi)腳步，走向更加美好的32位未來(lái)吧。