转载于<<EDN>>杂志 www.ednchina.com  作者：Robert Cravotta，EDN技术编辑

16位处理器同时遭受到来自8位和32位处理器的性能、价格与功耗夹击，16位处理器能否生存下去？

要点
更多嵌入系统设计正在继续采用8位和16位处理器。
一些半导体公司正在认真工作，用较低端的32位器件取代16位处理器市场。
正如8位和32位架构的不断发展一样，16位器件仍保持着竞争能力。
较低成本和功耗将继续成为16位和32位处理器之间的差异化特征。
16位处理器的优势在于它适合将功耗与数据密集处理或外设任务密集控制相结合的任何应用。
16位架构的新兴机会是便携或分布式监控应用。

很多人曾大肆宣扬的 8位处理器消亡并没有成为现实，现在似乎所有人都认为8位处理器将继续在市场上占有一个牢靠的地位。8位处理器的市场并没有衰退，由于各种最小封装、最低功耗或最低成本器件都纷纷寻找到自己进入各种应用的方法（而几年前使用它们还是既不经济又缺乏技术可行性），8位处理器正在不断焕发出新的生命力。2006 年有两个调查，向嵌入系统设计者询问他们选择的处理器。虽然每个调查中处理器选择的百分比和分布有所不同，但每个调查都表明，设计中使用 8位和 16位处理器的数字正在上升（参考文献2和参考文献3）。
　　很多高端 8位处理器正在增加与低端 16位处理器竞争的功能与性能，同样，低端 32位处理器也正在下降到 16位处理器的价格范围内，一些人认为这是对 16位架构长期生存的最大威胁。Tensilica 的战略营销经理 Steve Leibson 在去年给出了一个事实（参考文献 4）。其要点是，作为系统总成本的一部分，16位架构与 32位架构之间的价格差在继续缩小。同时指出，32位最终能实现所有 16位架构的功能，而系统成本差或硅片成本差接近于零。这一事实就是很多公司无休止地推销自己32位架构的关键，因为这些公司不提供 16位产品。
2006 年修订过的 EDN 微处理器指南列出了除 Intel 外能公开为公共工程社区提供16位微处理器或微控制器的有14家公司。EDN 的DSP指南也包括了很多16位DSP。虽然有些 16位产品的公司最近在自己的16位产品线上并没有公开的动作，但很多公司仍在继续投资16位产品，并继续推出16位产品系列。这些公司是否试图在一个濒临死亡的产品系列上下数百万美元的赌注，以榨取最后一点利润？什么是16位处理器的未来支点？
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乍看来，8位和 32位处理器架构都在挤压 16位架构的空间。过去几年，8位处理器厂商的开发活动在复苏。过去曾有一篇关于 8位和 32位产品的文章，从价格、功能和封装尺寸各方面揭示了 8位处理器能最佳地覆盖低端嵌入应用的原因（参考文献 5）。该文章关注为何 8位处理器可以避开日益降低成本的 32位器件。本文将详细阐述去年文中提到的一些关键点（参考文献 6）。

　　挤压
　　8位和 32位处理器足以重叠和完全覆盖 16位处理器的最佳应用吗？为使 8位架构继续支持传统 8位设计正在扩大的需求，8位处理器制造商正在扩充 8位架构的功能与特性。值得一提的是扩展包括更大的可寻址内存映像，以及更高的时钟速率。虽然这些设备也许能够仿真 16位数据类型，但这样做会损失性能与能力，因为它们必须要对操作数的低字节和高字节依次完成多个级联运行，而 16位架构用单指令就能实现。16位处理器运行得更快，对于需要完成密集 16位算术任务的应用而言，其功耗一般也低于 8位器件。

　　这种性能与功耗阻碍了对更宽数据类型的处理，是8位向 16位或 32位架构迁移的一种动力。这是使 32位处理器与 16位处理器竞争的重要转折点，也是所谓 16位器件已近夭折言论的中心。如果一个设计团队必须将其设计移植到一个新架构下，为什么不移植到一种在不久的将来需再次移植的风险极低的架构？这种情况下，对风险程度与再次移植成本的评估就成为一种决策折衷，以确定是否采用最佳的 16位实现，还是跳到有成长空间的一种够用的 32位实现。对于在 FPGA 中使用软核的设计者来说，选择是有限的（见附文“FPGA 的 16位选项”）。
　　除了更复杂的控制功能以外，其它促使 8位传统设计移植到更高架构的推动力包括增加功能（尤其是网络连接功能）；驱动更大显示器的要求；以及使用 RTOS（实时操作系统）作任务管理的要求。TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）网络栈需要相当大的内存空间，而 8位和 16位架构的 TCP/IP 栈资源则很少。CMX System 支持 8位和 16位系统的 TCP/IP 连网，但只支持最小的内存空间，这些栈省去了某些协议支持。对 32 位架构的 RTOS 支持要强于 16位，这主要是在 32位设备上实现的系统要更加复杂，并能从 RTOS 支持上获得更佳效果。
去年，Luminary Micro 推出了价格低至 1 美元的基于 ARM Cortex-M3 的 32位处理器。这个价格使 32位处理器能够与很多 8位和 16位处理器直接竞争。除了 Luminary Micro 以外，Atmel 和 NXP 也提供低价的 ARM7 处理器，它包含方便了8位设计移植的功能。这些功能中的一部分在 32位方案中并不常见，包括逐位操作、部分断电检测和上电复位等。基于这些器件中包含了这些“8位”特性，因此为 16位消亡论者们说 32位可以战胜 16位 架构提供了重要论据。

　　指令大小是 32位架构能够与 16位架构优势共存的另一个实例。一般来说，16位 ISA（指令集架构）的代码密度明显好于纯 32位 IS  
A，这一特性也证明它在设计中对程序内存的需求较低。当比较今天很多系统中的任何 8位、16位 或 32位处理器内核和内存的硅片面积时，这种优点的作用变得很明显（图 1）。很多现代 32位 ISA 都包含了一个 16位指令子集，充分说明了这种优势。Cortex-M3 ISA 更进一步，它只支持 16位 Thumb-2 ISA。在 32位架构中包含一个 16位指令子集大大降低了 16位器件所享有的代码密度优势。

　　激烈的争斗
　　正当 8位和32位架构在包含一些让它们能更好地在16位应用领域中竞争的功能时，16位架构也正在改变。例如，有些最新16位处理器（如飞思卡尔(Freescale)公司的 MC9S12XE 16位微控制器）打破了传统 64 kB地址空间限制，无需分页即可支持 1MB以上的线性寻址空间。德州仪器公司的MSP430系列是现代 16位架构的一个实例，它有内存间寻址与 16 个单周期、16位寄存器，解决了老式 16位实现中的累加器瓶颈和寄存器空间有限的问题。16位与 8位处理器都正在包含嵌入式调试电路，为开发人员提供帮助。

　　RTOS 的支持有助于简化编程，以及从 8位向 16位微控制器迁移的过程。这些针对 16位设计不断增多的选择也可以从RTOS得到好处。16位架构的 RTOS 支持落后于对 32位架构的支持，但这件事正在发生中。除了处理器供应商提供的核支持，第三方来源也有支持 16位架构的 RTOS，如 CMX、Mentor Graphics（Nueleus）、Micrium (mC/OS-II)，以及 FreeRTOS。为了更好地支持16位RTOS，这些处理器都可能带有专用的片上寄存器，如富士通(Fujitsu)的用户与系统堆栈指针，以提供附加的 RTOS支持。

　　内存保护是很多嵌入式RTOS 的重要部分，但 16位处理器对系统保护的方法通常异于带有一个MPU（内存保护单元）的32位处理器。一个例子是Microchip的CodeGuard 保护方法，它使OEM能够用阶梯式安全级别，划分且共享片上内存的三个区段，这三个区段分别为引导、安全和普通段。这种分段方式使设计所或算法供应商能够将专有的软件保护在安全内存段中，而允许一些应用从其它段访问这种算法。16位架构中系统保护或故障恢复的其它例子有：防止误写闪存、捕捉堆栈溢出的机制，用于看门狗定时器的一个独立时钟源，备份振荡器，以及停电和上电复位监控器。但是，MPU 并不限于 32位处理器，飞思卡尔的 MC9S12XE 16位微控制器系列也含有一个集成的 MPU。

　　虽然 Intel 退出了 16位嵌入处理器市场，但仍然有十几家半导体公司活跃在 16位产品线上。很多公司都有跨8位、16位和32位架构的处理器产品线。飞思卡尔汽车产品营销经理Wayne Chavez指出：“16位处理器仍然是增长的来源，而飞思卡尔的处理器战略是一种智能重叠策略。”很多提供跨越所有数据宽度产品的公司也都持相同观点。一般来说，这些公司都是通过维护跨处理器架构的编程模型和工具，将许多价值放在为设计者提供比例换算功能上，以获得最佳价格、性能和外设组合。最后，他们主要关注自己的某款处理器会被设计采纳，而提供一个可比例换算的选择是他们实现这一目标的策略。

　　另外还有一个从过去主机时代复活的概念：虚拟化。基本说来，它意味着软件开发模型可以不关心是运行在单只处理器上还是在多个核上。它可以使一个硬 RTOS 运行在相同器件的一个通用操作系统上。但是，英飞凌(Infineon)工业与多市场微控制器营销经理 Ryan Scott 认为：“大多数嵌入软件开发仍然要靠最佳成本与效率的紧密结合。”可预测或确定的性能、较低的功耗，以及哪怕一分钱的 BOM（物料成本）差异都可以是嵌入系统设计采用 8 位 或 16 位处理器的考虑因素。

逃脱挤压

　　低成本和低功耗是 8位处理器的重要差异化因素。无疑，对 16位处理器也存在相同情况，尤其是设计小组要在 16位和 32位选择之间移植自己设计时，需要作出权衡。面向 16位处理器的设计一般比面向 32位处理器的设计需要的内存较少。尽管相对整个系统而言，16 位和 32位核之间的硅片差别正在消失，每个核大小仍限制了这些器件价格的接近程度，但它们的相邻内存量可以互相靠拢。

　　在很多嵌入系统应用中，尤其是那些适合于较小架构宽度的应用，采用低功耗睡眠和待机模式的较低功耗处理器通常有明显的机会。但是，不断增加的泄漏电流（当处理器处于通电但空闲状态时的功耗）却抵销了较小工艺尺寸在硅片面积上的优势，使 16位和 32位处理器之间的成本趋向接近。灵巧的时钟门控并不能摆脱泄漏电流的困境。避免它的唯一方式是使用较慢、较少泄漏的晶体管，或者能够完全关断，并实现按需供电电路，但这会进一步增加32位器  
件的复杂性和成本。正像在 8位处理器上完成 16位运算那样，相对于数据尺寸与处理器宽度之间相匹配的情况而言，两者之间的不匹配会对核完成的处理总量以及完成这些任务的耗电量产生不利影响。

　　16位处理器市场上不存在等效于 8051 或 ARM 的产品。这个事实可能对 16位架构的消亡预言有很大影响；但是，这个问题也可能不那么重要，因为 16位器件应该能够击败 32位处理器，并使用针对特定应用高度微调的配置捍卫自己的存在。但问题是：这些应用是什么？目前，16位处理器的主要市场是汽车和工业控制应用。

　　16位器件热衷的市场是所有结合了功耗与数据密集处理的应用，或 8位产品无法有效提供的外设密集控制任务的应用。这类应用包括电力、水和气体的测量，以及手持产品，如从餐馆、零售店或服务机构获得订单的小型销售点产品。

　　近年来，一些半导体公司生产了混合处理器，业界越来越多地称之为 DSC（数字信号控制器）。这些器件用一个单一指令流包含了 DSP 和微控制器的特性。通常，DSC 可以不间断地连续提供算术单元，并且它们可以完成用于外设控制功能的快速上下文切换。这些器件一般也采用智能或匿名外设功能，以避免算术引擎的匮乏，这类器件大多数均采用 16位架构。

　　16位架构和 DSC 的最佳定位是支持一些新兴应用，如便携、家用医疗设备、便携监控设备，以及分布式工业监视与控制设备，如用于智能建筑的产品。大多数这类应用也将支持无线或有线网络连接。只有时间才会证明 16位末日预言家们是否会慢慢减少，就像近年来的 8位末日预言家们一样。