32-Bit-Systeme Entscheidungshilfen für eine Migration von 8 auf 32 Bit

Autor / Redakteur: Ankur Tomar * / Margit Kuther

Bei jedem neuen Projekt sind vorab einige Fragen zu klären: Was werde ich vermissen, wenn ich bei 8 Bit bleibe? Was bringt mir eine 32-Bit-Architektur wirklich?

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Kinetis-KL03-Familie von Freescale: Weltweit die derzeit kleinste ARM-MCU mit 32-Bit-Leistung auf 1,6 mm x 2,0 mm Fläche
Kinetis-KL03-Familie von Freescale: Weltweit die derzeit kleinste ARM-MCU mit 32-Bit-Leistung auf 1,6 mm x 2,0 mm Fläche
(Bild: John Larsen / Farnell)

Von den Milliarden Embedded-Geräten, die weltweit im Einsatz sind, enthalten etliche immer noch ältere 8- und 16-Bit-Mikrocontroller. Viele Embedded-Entwickler sind mit diesen aufgewachsen.

Durch niedrige Kosten, geringen Stromverbrauch und die einfache Architektur sind sie nach wie vor populär, obwohl längst 32-Bit-Bauteile verbreitet sind. 32-Bit-Bauteile werden zwar immer beliebter, trotzdem gibt es noch eine Informationslücke hinsichtlich ihrer Unterschiede, Vorteile und Möglichkeiten.

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Bei jedem neuen Projekt sind vorab einige Fragen zu klären: Was werde ich vermissen, wenn ich bei 8 Bit bleibe? Was bringt mir eine 32-Bit-Architektur wirklich? Die 32-Bit-Bauteile gehören inzwischen zu den am meisten verkauften Embedded MCUs.

Das Interessante an unserer Branche ist, dass die Innovation nie endet. Und mit Cores, wie dem ARM-Cortex-M0 +, der in Bauteilen von Atmel, Freescale, NXP und anderen zu finden ist, haben 32-Bit-Prozessoren inzwischen die gleichen Stärken wie die älteren 8/16-Bit-MCUs.

Gleichzeitig bieten sie aber eine Menge weiterer Vorteile, die einen Umstieg sehr interessant machen. Der Cortex-M0 + Core wurde speziell entwickelt, um den Umstieg attraktiver zu gestalten und Projekte durch die 32-Bit-Leistung auf ein neues Niveau zu bringen.

Fragt man einen Studenten, warum eine Migration von 8 Bit auf 32 Bit Sinn macht, erhält man vermutlich folgende Antwort: Es stehen viermal so viele Bit zur Verfügung und mehr ist immer besser! In Wirklichkeit ist es nicht ganz so einfach, aber es gibt trotzdem viele Gründe, warum 32-Bit-MCUs sogar für konventionelle 8- und 16-Bit-Projekte Sinn machen.

Vorteile der 32-Bit-Systeme

Höhere Leistung: Durch den Umstieg auf einen 32-Bit-Core kann die 2- bis 40-fache Leistung pro MHz der heutigen 8- und 16-Bit-Architekturen zur Verfügung stehen. Damit sind viel schnellere 32-Bit-Rechenfunktionen und 32-Bit-Multiplikation in nur einem Taktzyklus möglich.

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Zudem wird für Bit-Banging und eine Softwareprotokoll-Emulation nur ein einziger IO-Zyklus benötigt. Diese Leistungsfähigkeit eröffnet völlig neue Möglichkeiten mit Software-Stacks (USB, Bluetooth, usw.), RTOS, fortschrittlichen UIs und vieles mehr sowie einer ausreichenden Verarbeitungsleistung für neue Funktionen in der Anwendung.

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Höhere Energieeffizienz: Der Cortex-M0 + Core ist sehr energieeffizient und erreicht fast den doppelten Coremark/mA Wert anderer vergleichbarer 16-Bit-Lösungen. Durch den Einsatz dieses leistungsfähigen Cortex-M0 + Cores verbraucht das Embedded System weniger Energie, da Aufgaben viel schneller erledigt sind und es früher in den Ruhemodus zurückkehren kann. Die Ruhemodi benötigen weniger Energie, weniger als 500 nA im niedrigsten der 9 möglichen Leistungsmodi bei der Kinetis-L-Familie von Freescale. Dank der Peripheriemodule der Kinetis-Familie kann mehr erledigt werden, ohne den Core aufzuwecken, was noch mehr Energie spart. (Bild 1)

Höhere Code-Dichte: Es scheint widersprüchlich, dass der Einsatz eines 32-Bit-Prozessors eine kleinere Code-Größe zur Folge hat. Jedoch nutzt der Cortex-M0 + Core Thumb-2 Befehle, von denen viele nur 16 Bit im Flash-Speicher belegen. Zudem ist zu beachten, dass viele Instruktionen von 8-Bit-Prozessoren länger sind als 8 Bit. Je nach Anwendung können mehrere Bytes von 8-Bit-Instruktionen durch einen einzigen Befehl auf einer 32-Bit-MCU ersetzt werden, wie auch das Beispiel der 16-Bit-Multiplikation zeigt. (Bild 2)

Die Code-Dichte kann durch den Umstieg auf eine 32-Bit-Architektur mit Thumb-2 deutlich verbessert werden (Bild 3).

Skalierbarkeit: Baugruppen sind heute nicht mehr an eine spezifische Architektur von einem bestimmten Hersteller in der 8-Bit-Welt gebunden. Dadurch lassen sich Probleme vermeiden, wenn sich das Projekt und die Leistungsanforderungen ändern. Da bei 32-Bit-Bauteilen heute vorwiegend C-Code anstatt Assembler eingesetzt wird, reduziert dies die Entwicklungs- und Debugging-Zeit, und vereinfacht auch die Portierung von Code auf neue Bauteile. Da 32-Bit-MCUs von ARM mittlerweile fast überall zu finden sind, gibt es hierfür ein riesiges und wachsendes Software-Ökosystem.

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