延長電池壽命對于提高消費類設備的用戶滿意度至關重要。對于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）端點，延長電池壽命可以縮減維護成本并提高可靠性。因為這些設備使用的微控制器功耗為相對較大的設計人員需要選擇并應用合適的體系構造來滿足這些應用程序的需要。實情驗證，在大多數(shù)狀況下，都是選擇16位微控制器。

盡管8位微控制器的功能越發(fā)強勁，但由于處理能力和可尋址存儲器的局限性，其性能存在固有的局限性，因此高性能應用程序通常不選擇8位微控制器。一方面，對于這些應用程序而言，基于32位內(nèi)核的系統(tǒng)往往有些過大，特別是當它們致使不必需的功耗時。

該解決方案正好在8位和32位內(nèi)核-16位微控制器之間的平衡點上。這種類別的設備不僅具有低功耗（如簡單的單電源8位微控制器），而且還具有具有32位內(nèi)核的一些性能和內(nèi)存優(yōu)勢，如果應用程序不需要同時處理多個線程，并且內(nèi)存要求不是很高，則16位微控制器可以提供一個合適的性能程度，可以大大節(jié)約能源。

本文介紹了16位微控制器架構，以及如何將其作為許多電池供電的消費類設備和物聯(lián)網(wǎng)endpoint應用程序的完美選擇，此外，還介紹了Microchip推出的幾種16位Technology。Texas和Instruments微控制器，并解釋如何使用16位內(nèi)核開始設計。

單片機選擇

在設計過程中，概念項目需要后的第一步是為應用程序選擇合適的微控制器。三個主流選擇是8位，16位和32位微控制器。

絕不夸張地說8位微控制器應用非常廣泛，可以被叫作設計人員的主要設備。低成本，低功耗8位微控制器適用于幾乎所有低功耗應用：主流微控制器中的低功耗設備，某些設備的待機電流低于100na。

使用起來也比起簡單。8位微控制器主要基于累加器，盡管某些較新的體系構造具有寄存器組，因此編程模型簡單且受限制：具有單個狀態(tài)寄存器的累加器或小型寄存器組，堆棧指針以及一個或更多的索引寄存器。堆棧通常是硬件堆棧，并且固件無法訪問程序計數(shù)器（pc）。

盡管8位體系構造受到普遍青睞，但在網(wǎng)絡和通信方面卻遇上瓶頸，幾乎所有的通信堆棧和網(wǎng)絡協(xié)商都使用16位或32位，因此不用考慮8位體系結構。此外，即使高端的8位微控制器通常也限于16位尋址，并且并未分頁機制，這限制了固件的尺寸和復雜性。

另一方面，32位微控制器普遍用于所有高性能應用程序中?；诩拇嫫鞯捏w系結構可以輕松支持網(wǎng)絡和通信。通常使用32位尋址，支持浮點運算和高級代數(shù)運算，并且時鐘速率可以達到千兆赫。32位內(nèi)核具有更繁復的編程模型，包括多個狀態(tài)寄存器，可訪問固件的pc，繁復的中斷管理以及兩層或多層固件執(zhí)行權限。

盡管16位微控制器是基于寄存器的，但其架構卻與8位內(nèi)核一樣簡單，因此16位內(nèi)核通常具有不錯的低功耗性能，電流消耗顯著小于32位架構，并且功耗更低功耗幾乎低至8位內(nèi)核。如果應用程序需要高級數(shù)學運算，則某些16位微控制器具有數(shù)學協(xié)處理器，其數(shù)學性能可與相同內(nèi)部時鐘下的32位內(nèi)核不相上下。速度。

此外，許多通訊微控制器支持16位CAN網(wǎng)絡。對于諸如以太網(wǎng)，USB，Zigbee和協(xié)議棧的協(xié)議棧，只要應用程序代碼的性能足以支持堆棧，16位微控制器的運行速度可與32位微控制器一樣快。

支持大閃存陣列尋址

32位和16位體系構造之間的最大差異在于內(nèi)存的尋址范圍.32位微控制器具有32位地址總線，可以訪問多達4gb的內(nèi)存。傳統(tǒng)的16位微控制器使用16-位位尋址，只能訪問64kb的內(nèi)存。但是，現(xiàn)在許多16位體系構造都使用擴展尋址，最高可達24位，這相當于擴展16mb的地址空間。

Microchip Technology的低功耗PIC24F微控制器系列是擴展尋址的典型示例。使用簡單的編程，微控制器PIC24FJ1024GA中的一種，32mhz16位微控制器具有1mb板載閃存和32kb板載SRAM模型類似于許多8位微控制器（圖1）。

圖1：Microchip的PIC24F編程模型類似于高端8位微控制器，使用基于寄存器的體系結構，具有16個通用16位寄存器，堆棧指針，pc和5個輔助寄存器（圖表來源：MicrochipTechnology）

PIC24具有23位程序計數(shù)器，最多可以訪問8mb的程序閃存。16個16位寄存器稱作工作寄存器（wreg），表示為w0至W15：w0至W13寄存器是通用寄存器（GP），可用于在固件控制下存儲數(shù)據(jù)；W15是專用的堆棧指針（sp）。除了通過函數(shù)和子例程調(diào)用自動遞增和遞減，編程異常處理和調(diào)用返回之外，還可以通過固件（如w0到W13寄存器）來改動sp。

使用LINK和UNLINK匯編指令將W14當做堆棧幀指針（FP）。堆棧指針限制寄存器（SPLIM）是獨立的寄存器，可以與sp一齊使用以防范堆棧溢出。

PIC24使用哈佛架構，具有獨立的地址和數(shù)據(jù)空間，結合特別解釋使用，數(shù)據(jù)表頁面地址（TBLPAG）寄存器和程序空間可視性頁address（PSVPAG）寄存器可以是用于在地址和數(shù)據(jù)空間之間訪問和傳輸數(shù)據(jù)。這是32位體系構造的常見功能，但8位內(nèi)核很少使用它。

16位重復循環(huán)計數(shù)器（RCOUNT）寄存器包含循環(huán)計數(shù)器，可用于REPEAT匯編指令。

16位CPUkernel控制（CORCON）寄存器用于配備PIC24kernel的內(nèi)部操作模式。

16位狀態(tài)寄存器包含PIC24kernel狀態(tài)的工作狀態(tài)位，包括最后一次執(zhí)行匯編指令所生成的結果狀態(tài)。

根據(jù)Microchip Technology對PIC24FJ1024GA606T的性能評估，工作頻率為32mhz時可以達到16mips，對于16位內(nèi)核，這個指標確實令人印象深深，該內(nèi)核具有32位微控制器的許多功能，例如同時支持小數(shù)運算的17位×17位硬件乘法器和32位/16位硬件除法器。對于需要測算傳感器數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)端點，這些功能非常有用。此外，該架構還可以同時讀寫數(shù)據(jù)存儲器，而不會影響性能。

盡管PIC24FJ1024GA606T具有多種基準外圍設備，例如USBOTG，但是在電池供電的應用中其功耗非常低，所需的電源電壓僅為2.0v至3.6v。微控制器以32mhz全速運行時，電流消耗高達7.7ma。如果將其替換為32位內(nèi)核是非常不便的。內(nèi)核和外設時鐘可以通過固件控制。目前有兩條匯編指令使設備進入低功耗模式：idle指令終止PIC24內(nèi)核，但是外圍設備可以繼續(xù)工作；SLEEP指令將終止運行，除了看門狗（可選）和外部中斷檢測所有外部設備的操作。在閑暇模式下，大電流只有2.8ma，而在睡眠模式下，大電流范圍是10到45？a。在低功耗模式（即睡眠模式）下，仍存儲隨機存取存儲器（RAM）的內(nèi)容，PIC24F的電流消耗低至190na。

為了贏得更高的性能，Microchip Technology在dsPIC？中推出了高端16位微控制器。series。Microchip的dsPIC33ep512gp506t是16位70mips微處理器之一，閃存。dsPIC的512kb基本寄存器與PIC24大體上相同，除了支持數(shù)字信號處理的寄存器（@添加了nz@）指令，包括兩個40位累加器并支持32位乘法。如果需要在系統(tǒng)中升級DSP，則大多數(shù)PIC24微控制器都可以使用引腳兼容的dspic開展升級，因此使用同樣的PIC24也可以提高性能。

當然，性能越高，功率越大。此dsPIC33的電源電壓為3.0至3.6v，當工作速度達到70mips時，大電流為60ma。

減低功耗并提高性能

TexasInstruments的MSP430FR599x微控制器系列使用該公司的鐵電隨機存取存儲器（FRAM）程序存儲器，以實現(xiàn)比閃存微控制器更高的讀/寫性能和更低的功耗。

MSP430FR5994IPNR16位微控制器是該系列的產(chǎn)品之一，時鐘頻率為16mhz，fram為256kb。

MSP430FR微控制器內(nèi)核的性能加強包括雙向關聯(lián)緩存（由四個高速緩存塊構成，行寬為64字節(jié)），以實現(xiàn)更高的FRAM性能；32位硬件乘法器可提高數(shù)學密集型運算的性能；和MSP430（低能耗加速器）LEA獨立于協(xié)處理器main基本。LEA可以迅速執(zhí)行256點復數(shù)傅立葉變換（FFT），有限沖激響應（FIR）濾波器和矩陣乘法。根據(jù)TI，矩陣乘法的計算速度比Arm快40倍？Cortex？-M0+。LEA可以提高傳感器融為一體操作，圖像加強和超聲波傳感器數(shù)據(jù)處理的性能。面對這些應用程序時，開發(fā)人員通常優(yōu)先考慮32位內(nèi)核而不是超低內(nèi)核。電源16位微控制器。

MSP430R的編程模型非常簡單（圖2）。有16個16位寄存器r0到R15：r0是程序計數(shù)器，R1是堆棧指針，R2是狀態(tài)寄存器，R3是一個常量生成器（用于立刻操作數(shù)），R4到R15是通用寄存器。其他寄存器配備使用內(nèi)存映射，類似于大多數(shù)32位內(nèi)核。