MCU是Microcontroller Unit（微控制器单元）的缩写，它是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出端口（I/O）、定时器（Timer）、串行通信接口（UART、SPI、I2C等）和其他外围设备控制器的单个芯片。MCU通常用于嵌入式系统中，用于控制各种电子设备和系统。
由于其集成度高、体积小、功耗低以及成本相对较低等特点，MCU被广泛应用于各种嵌入式系统中，例如智能家居设备、医疗设备、汽车电子系统、工业自动化等。MCU的选择通常基于应用的需求，如处理性能、功耗、外设接口等因素。
该如何对8位以及32位的MCU进行选择？8位和32位MCU在功能上仍是互为辅助、各有千秋，这其中的诀窍就在于，需先了解什么样的应用适合什么样的MCU架构。
本文对比了8位MCU和32位MCU的使用案例，也可作为如何选择这两种MCU架构的指南使用。本文中大部分32位MCU的范例将关注ARM Cortex-M，Cortex-M在不同MCU供应商产品组合中表现得非常相似。鉴于8位MCU有很多种架构，所以很难对8位供应商产品进行类似的比较。为了便于进行比较，我们将使用广泛应用、易于理解的8051 架构，该架构深受嵌入式开发人员的青睐。
8位和32位MCU该如何选择？
事实上，ARM Cortex和8051哪个更好并不是个逻辑问题，就像是在问：吉他和钢琴哪个更好？真正要解决的问题应是哪种MCU能帮我更好地解决当下面临的问题。不同的任务需要使用不同的工具，我们的目的是要了解「如何才能更好地运用我们所拥有的工具」，包括8位和32位MCU。几乎可以肯定地说，那些简单回答「ARM更好」或「8051更好」的人各有其目的，他们也许正在试图销售某种产品。
对不同的设备进行比较，需要对其进行测量。有很多构建工具可供选择，我们尽量选择一些场景，我认为其能够进行最公平的比较，且最能代表开发人员的真实体验。
并非所有的MCU都是一样的
在开始对架构进行比较之前，要注意到并非所有生产的MCU都是一样的，这一点非常重要。如果将基于ARM CortexM0+处理器的现代MCU与30年前的8051 MCU进行对比，8051 MCU在性能对比上不会胜出。幸运的是，依然有许多供应商一直在对8位处理器持续投资。在许多应用中，8位内核能依然能够弥补M0+或M3内核不利的地方，甚至在一些方面性能更佳。
开发工具也很重要。现代嵌入式固件开发需要全功能IDE、现成的固件库、丰富的范例、完整的评估和入门套件以及助手应用以简化硬体设定、库管理和量产程式设计之类的工作。当MCU有了现代化的8位内核和开发环境后，在很多情况下，这样的MCU将超越基于ARM Cortex的类似MCU。
系统规模
一般性原则是，ARM CortexM内核更适用于较大的系统规模，而8051设备适用于较小的系统规模。中等规模的系统可以选择两种方式，这取决于系统要执行的任务。有必要注意一点，在大多数情况下，外设组合将会发挥重要的作用。如果需要3个UART、1个LCD控制器、4个时钟和2个ADC，你可能并不会在8位MCU上找到所有这些外设。
易用性vs.成本和尺寸
对于中等规模的系统来说，使用任何一种架构都可以完成工作，需要权衡的是选择ARM内核带来的易用性，还是8051设备带来的成本和物理尺寸优势。ARM Cortex-M架构具有统一的存储映射模式，并且在所有常见编译器中支持完整的C99，这使得这种架构非常易于写固件。此外，还可得到一系列库和协力厂商代码。当然，这种易用性的代价就是成本。对于高复杂性、上市时间较短的应用或缺乏经验的固件开发人员来说，易用性是个重要因素。
尽管8位与32位组件相比有些成本上的优势，但真正的区别就在于成本级别。大家经常会发现具有2 KB/512 B（Flash/RAM）的小容量8位器件，而却很少见低于8 KB/2 KB的32位器件。在不需要很多资源的系统中，该范围的存储容量能够让系统开发人员获得显著降低成本的解决方案。因此，对成本极为敏感或仅需较小存储容量的应用会更倾向于选择8051解决方案。
通常，8位器件也具有物理尺寸上的优势。例如，某些MCU的32位QFN封装为4 mm×4 mm，而基于8051的8位器件的QFN封装可小至2 mm×2 mm。芯片级封装（CSP）的8位和32位架构之间的差异较小，但却使成本增加，且组装较难。对于空间严格受限的应用来说，通常需要选择8051 MCU来满足限制要求。
通用代码和RAM效率
8051 MCU成本较低的主要原因之一是，它通常比ARM Cortex-M内核更高效地使用Flash和RAM，这允许系统采用更少资源实现。系统越大，这种影响就越小。
但这种8位存储资源的优势并不总是如此，在某些情况下，ARM内核会像8051内核一样高效或比其更高效。例如：32位运算仅需要一条ARM设备指令，而在8051 MCU上则需要多条8位指令。显然，这种代码在ARM架构上有更高的执行效率。
ARM架构在Flash/RAM尺寸较小时的两个主要缺点是：代码空间效率和RAM使用的可预测性。首要也是最明显的问题是通用代码空间效率。8051内核使用1位组、2位组或3位组指令，而ARM内核使用2位组或4位组指令。通常情况下，8051指令更小，但这一优势因实际上花费许多时间而受到削弱，ARM内核比8051在一条指令下能做更多工作，32位运算就是这样一个范例。实践起来，指令宽度是能在8051上产生适度的更密集代码。
代码空间效率
在含有分散式访问变数的系统中，ARM架构的载入/存储架构通常比指令宽度更为重要。试想讯号量的实现，一个变数需要在代码周围的多个不同位置进行减量（分配）或者增量（释放）。ARM内核必须将变数载入到寄存器，对其进行操作并重新存储，这需要3条指令。另一方面，8051内核可以直接在记忆体位置上进行操作，且仅需1条指令。随着每次对变数完成工作量的增大，由于载入/存储而产生的消耗就变得微不足道。但对于每次仅完成一点工作的情况来说，载入/存储能产生重要影响，让8051获得明显的效率优势。
尽管讯号量在嵌入式软体中并非常见，但简单的计数器和标志讯号量却广泛应用于控制导向的应用中并起着相同的作用。许多常见的MCU代码都属于这一类型。
另一个原因是，ARM处理器比8051内核拥有更多的自由使用栈空间。通常情况下，8051设备针对每次函式呼叫仅在栈上存储返回位址（2位组），通常通过分配给栈的静态变数处理大量的任务。
在某些情况下，这会产生问题，因为这会造成函数预设不可重入。然而，这也意味着必须保留的栈空间很小，且完全可预测，这在RAM容量有限的MCU中至关重要。
图一: 不同的任务需要使用不同的工具，我们的目的是要了解「如何才能更好地运用我们所拥有的工具」，包括8位和32位MCU。(Source：Yola)
架构细节
现在，我们来说基本情景。假设有基于ARM和基于8051的MCU各一个，配有所需的外设，那么对于较大的系统或需要重点考虑易用性的应用来说，ARM设备是更好的选择。如果首要考虑的是低成本/小尺寸，那么8051设备将是更好的选择。下面我们对于每种架构更擅长的应用进行更详细的分析，同时也划分出一般原则。
(1) 延时
两种架构的中断和函式呼叫延时存在很大差异，8051比ARM Cortex-M内核更快。此外，高级外设汇流排（APB）配备的外设也会影响延时，这是因为资料必须通过APB和AMBA高性能汇流排（AHB）传输。最后，当使用高频内核时钟时，许多基于Cortex-M的MCU需要分配APB时钟，这也增加了外设延时。
我做了1个简单的实验，实验中的中断是通过I/O引脚触发的。该中断对引脚发出一些信号，并根据引发中断的引脚更新标志。然后我测量了一些参数显示了32位的实现。
简单说明这个实验结果，8051内核在中断服务程式（ISR）进入和退出时显示出优势。但是，随着中断服务程式（ISR）越来越大和执行时间的增加，这些延迟将变得微不足道。和已有原则一致，系统越大，8051的优势越小。此外，如果中断服务程式（ISR）涉及到大量资料移转或大于8位的整数资料运算，中断服务程式（ISR）执行时间的优势将转向ARM内核。例如，一个采用新样本更新16位或32位移动平均的ADC ISR可能在ARM设备上执行得更快。
(2) 控制vs处理
8051内核的基本功能是控制代码，其中对于变数的访问是分散的，并且使用了许多控制逻辑（if、case等）。8051内核在处理8位资料时也是非常有效的，而ARM Cortex-M内核擅长资料处理和32位运算。此外，32位资料通道使得ARM MCU复制大包的资料更加有效，因为它每次可以移动4个位组，而8051每次仅能够移动1个位组。因此，那些主要把资料从一个地方移动到另一个地方（例如UART到CRC或者到USB）的流资料处理的应用更适合选择基于ARM处理器的系统。
这并不意味着有大量资料移动或32位运算的应用不应该选择8051内核完成。在许多情况下，其他方面的考虑将超过ARM内核的效率优势，或者说这种优势是不相关的。考虑使用UART到SPI桥接器，该应用花费大部分时间在外设之间复制资料，而ARM内核会更高效地完成该任务。
然而，这也是一个非常小的应用，可能小到足以放入一个仅有2 KB存储容量的器件就足够合适。尽管8051内核效率较低，但它仍然有足够的处理能力去处理该应用中的高资料速率。对于ARM设备来说，可用的额外周期可能处于空闲回圈或「WFI」（等待中断），等待下一个可用的资料片到来。在这种情况下，8051内核仍然最有意义，因为额外的CPU周期是微不足道的，而较小的Flash封装会节约成本。如果我们要利用额外的周期去做些有意义的工作，那么额外的效率将是至关重要的，且效率越高可能越有利于ARM内核。这个例子说明，清楚被开发系统所关注的环境中的各种架构优势是何等重要。做出这个最佳的决定是简单但却重要的一步。
(3) 指针
8051设备没有像ARM设备那样的统一的存储映射，而是对存取码（Flash）、IDATA（内部RAM）和XDATA（外部RAM）有不同的指令。为了生成高效的代码，8051代码的指标会说明它指向什么空间。然而，在某些情况下，使用通用指标可以指向任何空间，但是这种类型的指标是低效的访问。例如，将指标指向缓冲区并将该缓冲区资料输出到UART的函数。如果指标是XDATA指标，那么XDATA阵列能被发送到UART，但在代码空间中的阵列首先需要被复制到XDATA。通用指标能同时指向代码和XDATA空间，但速度较慢，并且需要更多的代码来访问。
专用区域指标在大多情况下能发挥作用，但是通用指标在编写使用情况未知的可重用代码时非常灵活。如果这种情况在应用中很常见，那么8051就失去了其效率优势。
(4) 通过选择完成工作
我已经注意到多次，运算倾向于选择ARM，而控制倾向于选择8051，但没有应用仅仅着眼于计算或控制。我们怎样才能表征广义上的应用，并计算出它的合适范围呢？让我们考虑一个由10％的32位计算、25％的控制代码和65％的一般代码构成的假定的应用，它不能明确地归于8位或32位类别。
这个应用也更注重代码空间而不是执行速度，因为它并不需要所有可用MIPS，并且必须为成本进行优化。成本比应用速度更为重要的事实在一般代码情形下将给8051内核带来微弱优势。此外，8051内核在控制代码中有中间等级的优势。ARM内核在32位计算上占上风，但是这并非是很多应用所考虑的。考虑到所有这些因素，这个特殊的应用选择8051内核更加合适。
如果进行细微的改变，假设该应用更关心执行速度而非成本，那么通用代码不会倾向于哪种架构，并且ARM内核在计算代码中全面占优势。在这种情况下，虽然有比计算更多的控制代码，但是总的结果将相当均衡。显然，在这个过程中有很多的评估，但是分解应用，然后评估每一元件的技术将?明并确保我们了解在哪种情况下哪种架构有更显著的优势。
功耗
当查阅资料手册时，很容易根据功耗资料得出哪个MCU更优的结论。虽然睡眠模式和工作模式电流性能在某些类型MCU上更优，但是这一评估可能会非常具有误导性。占空比（在每个电源模式上分别占用多少时间）将始终占据功耗的主导地位。除非两个器件的占空比相同，否则资料手册中的电流规格几乎是没有意义的。最适合应用需求的核心架构通常具有更低的功耗。
假设有一个系统，在设备被唤醒后添加一个16位ADC样本到移动平均，然后返回到休眠状态，直到获取下一个样本时才又被唤醒。该任务涉及到大量16位和32位计算。ARM设备将能够进行计算，并比8051设备更快返回到休眠状态，这会让系统功耗更低，即使8051具有更好的睡眠和工作模式电流。当然，如果进行的任务更适合8051设备，那么MCU功耗由于相同的原因而对系统有利。
虽然睡眠模式和工作模式电流性能在某些类型MCU上更优，但是这一评估可能会非常具有误导性。
8位或32位？我仍然不能决定！
如果考虑到所有这些变数后，仍然不清楚哪些MCU架构是最好的选择，会怎样？那好吧！这说明，它们都是很好的选择，你使用哪种体系结构并不是紧要的事情。如果没有明确的技术优势，那么过去的经验和个人喜好在你的MCU架构决定中也起到了很大的作用。
此外，你也可以利用这个机会去评估可能的未来项目，如果大多数未来专案更适合ARM设备，那么选择ARM，如果未来项目更侧重于降低成本和尺寸，那么就选择8051。
这到底意味着什么呢？
8位MCU仍然可以为嵌入式开发人员提供许多功能，并且越来越关注物联网。当开发人员开始设计时，重要的是确保从工具箱中获得合适的工具。虽然我还是很乐意把8051出售给可能更适合选择32位设备的客户，但是我不禁想像，如果开发人员仅仅花费1个小时思考就作出决定，那么他们的工作将会更加容易、最终的产品将会更好。
实际上的难题是，不能仅仅依赖于一些演示文件中的一两个要点，就得出选择MCU架构的结论。然而，一旦你有正确的资讯，并愿意花一点时间应用它，就不难作出最佳选择。
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结束语
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MCU是电子产品的核心部件，对于这个器件的选型一定要慎之又慎，如中途变更MCU，整个电路板就要做个大的手术了。MCU选型时就要综合考虑MCU需要完成的功能，成本，交期，各类端口的数量，存储空间，可移植性，器件等级，功耗，电压等因素。
1、MCU初步筛选
MCU初步筛选是时，最好是软件工程师和硬件工程师以及器件工程师一起讨论，硬件工程师提供所需各类端口的大致数量，产品要实现的功能，应用环境等等。软件工程师根据这些信息选出三四款合适的芯片，然后元器件工程师根据芯片的成本，交期，品质等信息最终选定一款MCU。
在这个过程当中，硬件工程师提供一份各类端口的数量清单，软件工程师需提供一份MCU引脚分配图表，以供硬件工程师使用。
2、普通I/O口
上拉、下拉电阻的选择，通常可以选择1K~1MΩ之间的电阻，封装可以根据产品的尺寸，以及端口的电流值选择0201，0402，0603，或0805的封装。如端口用的是内部上拉或下拉电阻，电阻值通常是几百欧，在低功耗的产品中尽量不要使用。
输入输出电压的高电平通常就是电源电压，低电压通常就是0V。对于输入口来说，如果高低，电压不分明，需做整形后再提供给输入口，输入到输入口的信号电流值不能超过输入口所能承受的电流范围；对于输出口来说，小功率的负载，尽量是选用低电平驱动。一般情况下，负载电流值在10毫安以下的，可以用输出口直接驱动；负载电流值在10毫安到100毫安之间的，需加一级驱动电路；驱动更大功率的负载时，负载与MCU之间去加隔离电路。
3、器件等级
根据产品的类别及其应用环境，选择MCU的等级，工作温度范围。如产品用于汽车类产品，尽可能地使用汽车级芯片，工作温度范围-40度到125度。根据产品销售地，选择认证范围，如CCC认证，UL认证。
4、ADC转换
根据产品的实际需要，选择合适的精度，转换时间。进行模数转换时，去做适度的整形。如输入信号非常微弱，可以对信号进行放大；如输入信号电平与输入端口的电平不匹配，需做电平转换。
5、存储空间
根据产品功能，电路板的尺寸，软件代码的长短，选择合适的存储容量。如需外置存储，软件组需提前说明，以便PCB板预留空间。
随着电子产品复杂度越来越高，扩大存储容量与采用flash存储是大的趋势。扩大存储容量，硬件工程师可以赋予产品更多的附加功能，同时给后续的升级维护带来便利。掉电保护数据和对产品快速编程的需求，以推动产品采用flash存储。flash芯片长期来看，单价会持续下跌的。
6、移植性
如果考虑从旧的平台移植程序过来，就要考虑MCU之间的可移植性。
7、低功耗
越来越多的移动电子产品出现，推动MCU也快速地向低功耗方向发展。低功耗不仅仅是为了省电，更是是为了降低电源模块以及散热模组的成本。随着电流的降低，电磁干扰和热噪声也大幅度地降低了。
上拉下拉电阻也有功耗，如对单一的信号进行上拉或下拉，电流也就是几个微安到几十微安之间，但是对于一个被驱动了的信号进行上拉和下拉，电流能达到几十毫安。
闲置不用的端口，尽量不要悬空。如果悬空，外界的干扰可能在这些端口形成反复的震荡信号，MOS工艺芯片的功耗主要取决于门电路的翻转次数。
8、成本和交期
很多8位和16位及32位MCU，价差已降至将近几美分，需结合产品实际情况选取合适的MCU。
MCU选定后，后续很多新项目也会用这一系列MCU，因此在做MCU选项时一定要调查清楚供应商是否长期生产该系列的芯片，有几家生产工厂。在我们的客户所在地，该供应商是否有强大的售后服务团队。
对MCU进行试验验证，确保产品的低失效率，因为高失效率率意味着更高的成本。调查统计各MCU及其供应商的口碑。
9、其它功能
将更多的其它功能集成到MCU是大的趋势。如DSP功能，上电复位，低电压检测功能。应调查清楚所选这一系列MCU现在及未来可集成哪些功能模块，为后续新产品的设计开发做准备。
对于MCU，在已批量生产后轻易不要做替代动作，MCU的替代需做各种严格的测试验证，成本较高。
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