Microcontrollori a 8 bit vs 32 bit: come scegliere la giusta unità MCU per le esigenze del tuo progetto PCB

Scegliere tra un microcontroller a 8 bit ed uno a 32 bit per un progetto hardware è più complicato di quanto sembri. Queste due tipologie di microcontrollori pur avendo prezzi simili hanno potenze diverse. Spesso nell’industria elettronica più potenza non equivale a migliori prestazioni. Per questo motivo un MCU a 32 bit non è sempre l’opzione migliore.

Per fare la scelta giusta è importante comprendere le differenze fondamentali tra i due tipi di architettura di unità MCU. Risolvi ogni tuo dubbio con il nostro confronto tra microcontrollori a 32 bit ed 8 bit!

Microcontrollori 8 bit vs 32 bit: nozioni di base

In senso stretto, un MCU 8 bit elabora 8 bit di dati in ogni dato momento. Il numero di bit utilizzati da un'unità MCU (a volte chiamato profondità di bit o larghezza dati) indica la dimensione dei registri (8 bit per registro), il numero di indirizzi di memoria (solo 2^8 = 256 indirizzi) e i numeri più grandi che è possibile elaborare (anche qui 2^8 = 256 numeri interi o numeri interi da 0 a 255). Un 8 bit microcontroller ha una capacità di indirizzamento limitata, ma alcuni di questi microcontroller utilizzano la tecnica di paginazione, in cui il contenuto di un registro di pagina determina quale banco di memoria integrata utilizzare.

Un microcontrollore a 32 bit può teoricamente gestire numeri fino a 2^32 e dispone di unità logiche aritmetiche, registri e bus a 32 bit. In generale, ciò significa che un'unità MCU 32 bit può gestire una quantità di dati quattro volte superiore ed è quindi tecnicamente più efficiente. Tuttavia, le differenze tra i microcontroller a 8 bit e 32 bit vanno ben oltre la gestione delle operazioni aritmetiche.

Operazioni aritmetiche

Una limitazione è ovvia e si riferisce alle operazioni aritmetiche. Un MCU 8 bit normalmente consente solo operazioni aritmetiche che restituiscono numeri compresi tra 0 e 255 (o da -127 a 128), sebbene sia possibile condividere numeri maggiori tra due thread. Ciò aumenta la complessità di programmazione, in quanto il threading non avviene automaticamente a livello hardware.

In generale, l'utilizzo di un microcontroller con una larghezza di dati maggiore consente operazioni di calcolo con numeri più grandi. Un microcontrollore a 32 bit può gestire numeri senza segno da 0 a 4 294 967 295 (lascio al lettore il compito di calcolare l'intervallo dei numeri provvisti di segno). Se si utilizza un linguaggio di programmazione di alto livello come C o un ambiente di sviluppo integrato proprietario (ad esempio AtmelStudio), è in genere possibile accedere a una libreria di supporto per l'uso di numeri più grandi o notazioni scientifiche.

Fattore di forma nei microcontrollori a 8, 16 e 32 bit

Si potrebbe pensare che un MCU 32 bit è racchiuso in un pacchetto più grande di un MCU 8 bit, ma ciò non è sempre vero. Alcuni microcontrollers a 8, 16 e 32 bit hanno lo stesso fattore di forma (ad esempio, Microchip offre una serie di microcontrollori con diverse profondità di bit tutti racchiusi in pacchetti TQFP-64). I microcontrollori a 8 bit sono disponibili in pacchetti DIP, come si vede nelle diffusissime schede Arduino.

Software integrato e utilizzo della memoria

A livello software, i tipi di dati utilizzati nel codice determineranno anche il tipo di microcontrollore da scegliere. Ad esempio, un numero intero senza segno dichiarato in un MCU a 8 bit occupa solo 1 byte. La stessa variabile in un MCU a 32 bit richiede 4 byte di dati. Se stai pensando che 4 byte sono comunque pochi in un'unità MCU a 32 bit che offre un numero di indirizzi 16 milioni di volte superiore, tieni presente che il numero massimo di indirizzi univoci disponibili non dice nulla sulla quantità effettiva di memoria integrata in un microcontrollore. La memoria su chip è solitamente dell'ordine di alcuni KB, quindi è importante valutare la quantità di dati richiesti dal codice.

Scegliere tra un microcontrollore a 8 bit e uno a 32 bit implica la valutazione di altri fattori oltre alla larghezza dei dati. La comprensione delle differenze principali tra le MCU a 8 bit e 32 bit ti aiuterà a prendere la decisione migliore per il tuo progetto.

Velocità e memoria

Uno dei vantaggi principali di un microcontrollore a 32 bit rispetto a uno a 8 bit è la sua velocità di elaborazione maggiore. Un tipico microcontrollore a 8 bit in genere ha una velocità di clock di 8 Mhz, mentre un microcontrollore a 32 bit può raggiungere frequenze di centinaia di Mhz. Se stai utilizzando il microcontrollore solo per attivare un relè meccanico, potresti non notare la differenza di velocità di elaborazione dei dati; tuttavia, i vantaggi diventano rapidamente evidenti se esegui applicazioni che richiedono numerose elaborazioni di dati complesse. Ad esempio, un sistema di controllo degli accessi che elabora migliaia di transazioni al giorno richiede senza dubbio un microcontrollore a 32 bit.

I microcontrollori a 8 bit sono più economici e di facile impiego ed è per questo che, dopo 40 anni, sono ancora molto diffusi in varie applicazioni. Tuttavia, se il prodotto che stai sviluppando richiede una memoria di accesso casuale (RAM) interna di notevoli dimensioni, potresti dover sostituire l'unità MCU a 8 bit con una a 32 bit. I microcontrollers a 32 bit hanno spesso una RAM di dimensioni 8 volte maggiori rispetto alle unità a 8 bit. Se hai bisogno di un buffer particolarmente ampio per memorizzare i dati audio, un MCU a 32 bit è l'opzione di elaborazione migliore.

Aggiunta di periferiche

Alla base della progettazione di un sistema embedded c'è la creazione dell'elenco di periferiche necessarie dettato dai requisiti del progetto. Se hai bisogno di connessioni Ethernet, stack USB (Universal Serial Bus), più dispositivi UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) e un bus CAN (Controller Area Network), un microcontrollore a 8 bit non sarà sufficiente e potresti dover persino considerare l'aggiunta di chip periferici, i quali hanno un costo potenzialmente maggiore di quello di un semplice microcontrollore a 32 bit.

In genere, i microcontrollori a 32 bit sono dotati di molte funzionalità non presenti in quelli a 8 bit. Grazie alla maggiore velocità di elaborazione, un microcontrollore a 32 bit è in grado di gestire più periferiche in modo efficiente. Tuttavia, tieni presente che i MCU a 32 bit hanno maggiori requisiti energetici, specialmente quando tutti i sistemi embedded e le periferiche sono attivi.

Progettazione hardware e curva di apprendimento

È giusto dire che un PCB con un microcontrollore a 32 bit, che di solito ha oltre 100 pin, è più complesso di uno con un'unità a 8 bit, il quale raramente supera i 30 pin. Dal punto di vista dell'assemblaggio dei componenti, la saldatura di un pacchetto SOIC è decisamente più facile rispetto a un pacchetto QFP (Quad Flat Package) o BGA (Ball Grid Array) e il passo più ampio tra i vari pin di un pacchetto SOIC riduce eventuali problemi di qualità dei contatti. Se per il tuo progetto è sufficiente utilizzare un microcontrollore a 8 bit, non scegliere un'unità a 32 bit. Negli altri casi, utilizza footprint predefiniti nel software di progettazione PCB per ridurre al minimo i tempi di design.

Avrai notato che la maggior parte dei tutorial di programmazione per microcontrollori ha come oggetto i microcontrollori a 8 bit come l'8051 o Arduino, una scheda microcontrollore a 8 bit molto diffusa. Questo perché è più facile iniziare con un microcontrollore a 8 bit: un'unità a 32 bit ha un'architettura più complessa e richiede tempi di familiarizzazione più lunghi. Se stai creando un contapezzi per macchine di produzione con poche righe di codice, non è conveniente chiedere al responsabile dello sviluppo del firmware di dedicare tempo all'esame di tutti i microcontrollori disponibili quando è invece possibile configurare l'intero firmware a costi molto più bassi con un microcontrollore a 8 bit.

Applicazioni dei MCU a 32 bit

Le applicazioni per un MCU a 32 bit sono numerose.Tuttavia, in questa sede sarebbe più opportuno esaminare i casi in cui non utilizzare microcontrollers di questo tipo. In generale, qualsiasi applicazione in cui sono richieste elaborazioni che implicano inevitabilmente numeri a molte cifre da calcolare in tempi più rapidi dovrebbe utilizzare un microcontrollore a 16 bit o 32 bit. Alcuni esempi di operazioni includono calcoli FFT, elaborazione delle immagini, audio o video di alta qualità e applicazioni di edge computing. Alcune attività che richiedono notevoli risorse di elaborazione e memoria poiché riguardano l'apprendimento automatico o l'IA sono meglio implementate tramite unità più potenti, ad esempio un MCU ARM o un computer a scheda singola.

Invece, se devi raccogliere misurazioni di segnali analogici, un microcontrollore a 32 bit non è necessariamente migliore di uno a 8 bit. La profondità di bit indicata per un microcontrollore non è equivalente a quella del convertitore analogico/digitale (ADC) integrato. I microcontrollori disponibili in commercio dispongono di unità ADC integrate con risoluzioni di 8, 10, 12 o 16 bit.

Consumo energetico dei microcontrollori a 32 e 8 bit

Nelle applicazioni per dispositivi mobili, un MCU a 32 bit offrirà più potenza di calcolo a scapito di un maggiore consumo energetico. È possibile utilizzare un microcontrollore a 32 bit per completare più rapidamente calcoli importanti, attivando poi la modalità sospensione della CPU per un periodo di tempo più lungo. Tuttavia, ciò non significa che un microcontrollore a 32 bit sia più efficiente dal punto di vista energetico. Un MCU a 8 bit garantisce generalmente una maggiore durata della batteria e offre un migliore bilanciamento delle funzionalità per periferiche rispetto a dispositivi simili a 32 bit.

Scegli l'unità MCU migliore per la tua progettazione PCB

Per scegliere il miglior microcontrollore per la tue esigenze di progettazione PCB, riducendo al minimo i tempi e i costi complessivi, è necessario valutare attentamente i principali vantaggi e svantaggi delle unità MCU a 8 bit rispetto a quelle a 32 bit. Prendendo in considerazione requisiti di progettazione quali velocità, complessità, periferiche e memoria flash, puoi ridurre al minimo i tempi decisionali e i potenziali ostacoli quando scegli il microcontrollore più adatto al tuo progetto.

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