个人计算机的存储器系统 说说内核与计算机硬件结构(2)

除了与具体的产品要求有关外，系统性能的衡量也可以考虑是否有容易上手、容易使用的开发工具、应用示例、齐全的文档和高效的支持网络。

系统性能的相关问题

1.传统8位单片机的局限

大多数工程师十分关注系统性能，因为越来越多的8位和16位单片机家族已经无法满足当今日益增长的需求。陈旧和低效的架构限制了处理能力、存储器容量、外设处理和低功耗要求。8位的处理器架构，比如8051、PIC14、PIC16、PIC18、78K0和HC08是在高级语言（比如C语言）出现之前开发的，其指令集仅用于汇编开发环境。并且这类架构的中央处理单元（CPUs）缺乏一些关键功能，比如16位的算数运算支持、条件跳转和存储器指针。

许多CPU架构执行一条指令需要若干时钟周期。Microchip的8位PIC家族执行一条最简单的指令需要4个时钟周期，这导致使用20M的时钟仅能达到5MIPS.对于其他CPU架构，比如8051内核。其执行一条指令至少需要6个时钟周期，这就使得实际的MIPS要比给定的时钟频率低很多。

上述代码是一个简单的C语言函数，表1列出了在三种不同CPU架构上编译这段代码的相应结果。8051内核的执行时间几乎是PIC16内核的4倍，对于AVR架构更是达到了28倍。

一些半导体厂商解决了时钟分配问题，使得微控制器实现了单时钟周期指令。当时钟频率为100MHz时，Silicon Labs声称他们基于8位8051架构的微控制器能够达到100MIPS的峰值。个人计算机的存储器系统但是，这里有几个问题：

第一，由于大部分指令需要两个时钟周期甚至更多，所以其实际能力接近于50MIPS；

第二，8051是基于累加器的CPU，所有需要计算的数据必须拷贝到累加器。查看8051处理器的汇编代码，可以发现65%-70%的指令用来移动数据。由于现代8位和16位单片机架构中有一系列和算术逻辑单元（ALU）相连的寄存器。因此，8051内核的50MIPS仅相当于现代8位和16位单片机架构的15MIPS.

第三，较老的CPU架构缺乏对大容量存储器的支持。早在七十年代，很难想象需要超过64KB存储器的嵌入式应用，这使得许多CPU设计师选择16位的地址总线。因此，CPU、寄存器、指令集以及程序存储器和数据存储器的数据总线始终受此限制。

第四，在2006年，约有9%的8位嵌入式应用使用了64KB甚至更多的程序存储空间，这代表了8位MCU市场26%的收益。推测2009年，14%的8位嵌入式应用会代表36%的收益。而这14%的应用会使用64KB甚至更多的程序存储空间。

从系统性能的角度来看，所有这些使得较旧的8位MCU逐渐失去竞争力。

2.不适宜32位处理器的场合

旧式CPU架构无法满足当今的市场需求，为了解决这个问题，许多厂商升级至32位的处理平台。对于需要32位处理能力的应用来说这无疑是最棒的选择，但是许多设计师转换到32位平台并非最正确的选择。使用32位MCU来解决8位和16位单片机的自身限制将会导致过高的成本。

大部分32位微控制器无法提供高速、高分辨率的模数（ADC）转换，EMC性能通常较低，且ESD保护较弱。而8位和16位单片机在这些方面优势明显。另外，强的IO驱动能力，可供选择的多种内部、外部振荡器，无需外部器件的片内电压调整器等是8位和16位单片机的另一些优点。

显然，32位CPU包含比任何8位和16位CPU都要多的数字逻辑单元，这导致了高的制造成本。虽然使用一些特殊的半导体工艺可以降低成本，但是弊端是会导致较高的漏电流和静态功耗。某些应用，像水表、燃气表、收费公路电子标签、安全系统等，在他们生命期中的大部分时间，CPU处于睡眠模式，即为停止状态。这类应用的电池寿命必须在5-10年，所以这情况中，不可能将CPU从8位或者16位升级至32位处理器。如果想要提升系统性能只有采用别的方法。

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