寫這篇文章純屬偶然，MCU benchmark有很多方法，且不同類型MCU benchmark方法完全不同，很難說(shuō)誰(shuí)好誰(shuí)快？ 不過，對(duì)電子愛好者來(lái)說(shuō)，還是挺想知道“我所用的MCU”計(jì)算到底多快？本文，就從打醬油、非專業(yè)、大無(wú)畏精神出發(fā)，探討入門級(jí)單片機(jī)計(jì)算性能到底如何、如何。

單片機(jī)能干的事兒很多啊，我通常用來(lái)：

1、控制個(gè)燈啊、空調(diào)啊、電視啊、小車啊神馬的。

2、用傳感器采集個(gè)溫度啊、濕度啊、電壓、電流、水流、人臉啊神馬的。

3、顯示輸出：液晶、OLED、數(shù)碼管；聲音；電風(fēng)扇神馬的。

4、超低功耗：家里的中央控制系統(tǒng)基于樹莓派，不到2W功耗。

5、便攜。貌似自己做成的東西極少具有便攜性。。。

在沒有接觸Arduino前都是用51倒騰，玩了有幾年，覺得51是最適合電子愛好者用的芯片，簡(jiǎn)單、便宜、功能足夠！但接觸Arduino后才明白，原來(lái)還有這么個(gè)東東，比51先進(jìn)得多，實(shí)在太好用了！ 記得學(xué)51從二進(jìn)制地址學(xué)起，不太好懂。后來(lái)用C開發(fā)經(jīng)常問：“明明 c=a+b; print(c); 就行了，我干嘛要去學(xué)指令、寄存器、尋址？”高級(jí)語(yǔ)言屏蔽底層很多東西，讓編程變得簡(jiǎn)單。并不是基礎(chǔ)知識(shí)沒用，這好比高等數(shù)學(xué)這道門檻（俺數(shù)學(xué)專業(yè)），你必須弄懂基礎(chǔ)知識(shí)體系才能理解數(shù)學(xué)世界的美妙！但如果是經(jīng)濟(jì)學(xué)專業(yè)，不懂?dāng)?shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)同樣可以玩兒轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)！你從中獲得的樂趣跟你投入成正比。所以，我用單片機(jī)并不是科班那種需要弄懂MCU每個(gè)功能、每個(gè)模塊，我用單片機(jī)就接接外設(shè)，完成我的想法而已。也許，只用到了單片機(jī)十分之一。說(shuō)實(shí)話，極少使用單片機(jī)計(jì)算能力（話說(shuō)這也不是單片機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)呀），但如你要做個(gè)智能小車、四軸飛行器、PID控制，那就需要一定的計(jì)算能力了。

開始，只是簡(jiǎn)單想看看單片機(jī)運(yùn)算有多快，偶然機(jī)會(huì)跟壇友交換了一塊chipKIT Uno32（MIPS芯片），就想橫向比較一下不同MCU的差別，于是就有了本文。其實(shí)，計(jì)算能力通過指令時(shí)鐘周期來(lái)計(jì)算，科學(xué)準(zhǔn)確，但對(duì)于不太精通底層知識(shí)的我，匯編猶如天書，真心看不懂?。∷?，還是用我自己的土辦法測(cè)一下吧。

先說(shuō)測(cè)試方法和原理：

1、只測(cè)試+、-、*、/、%五種操作符，uint8_t、uint16_t、uint32_t、uint64_t、float、double六種數(shù)據(jù)類型的性能。

2、首先測(cè)10000次空循環(huán)的時(shí)間，然后在循環(huán)中加入操作數(shù)，記錄總的時(shí)間，減去空循環(huán)時(shí)間就是計(jì)算消耗的時(shí)間。

3、測(cè)試中由于有系統(tǒng)中斷（Arduino、STM32都有Tick中斷，51為計(jì)時(shí)也有中斷），結(jié)果不會(huì)很準(zhǔn)，話說(shuō)也沒指望它能有多準(zhǔn)。。。

4、編譯器優(yōu)化參數(shù) -O0，一開始測(cè)出來(lái)的運(yùn)行時(shí)間都為“零”，徹底凌亂。研究之后方得知，編譯器優(yōu)化干掉空循環(huán)，需通過參數(shù)關(guān)閉優(yōu)化。

5、不同芯片數(shù)據(jù)類型支持不一樣，有些數(shù)據(jù)類型會(huì)缺失。例如Arduino Uno中的float和double是一樣的，都是float；但32位架構(gòu)MCU中的double是float寬度的兩倍。

代碼類似這樣：

說(shuō)個(gè)小故事。如不關(guān)閉測(cè)試優(yōu)化選型，把全局變量定義成局部變量，加法、減法的測(cè)試時(shí)間為“零”，沒錯(cuò)，10000次計(jì)算不到4微秒，這顯然不可能。后來(lái)研究一番方得知編譯器默認(rèn)優(yōu)化參數(shù)是-Os，很多計(jì)算直接優(yōu)化了。。。。

測(cè)試用的板子：

1、傳統(tǒng)的AT89C516，還有宏晶鼓吹的1T 51單片機(jī)（STC12C5A60S2）

2、Arduino UNO（ATmega 328），Arduino Due（Atmel SAM3X8E，ARM架構(gòu)的）

3、chipKit Uno32（PIC32MX320F128 MIPS架構(gòu)）

4、ST Nucleo F0（STM32F030R8），Nucleo F1（STM32F103RB），都是ARM架構(gòu)的

測(cè)試用開發(fā)環(huán)境：

1、51談不上什么優(yōu)化參數(shù)，我用的uVision 2。晶振用22.1184M，據(jù)說(shuō)這個(gè)片子可以跑到40M，我就呵呵一下好了。

2、Arduino IDE 1.6.9，圖中2/3都是用Arduino環(huán)境，其中編譯器參數(shù)需要修改platform.txt文件，默認(rèn)是-Os（優(yōu)化大?。?，改成-O0（完全不優(yōu)化），這個(gè)要重啟Arduino才能有效。。。

3、STM用的是MDK 5.16，HAL庫(kù)。沒辦法，對(duì)STM32真不熟，能搗鼓出結(jié)果很不錯(cuò)了！mbed計(jì)時(shí)函數(shù)有問題，F(xiàn)0、F1芯片無(wú)法得出微秒級(jí)時(shí)間，只好用HAL，話說(shuō)用CubeMX生成代碼還真挺方便的。

計(jì)時(shí)方法：

1、51用TIMER0計(jì)時(shí)，這個(gè)太簡(jiǎn)單了，每計(jì)數(shù) 12/22.1184 微秒?。?/p>

2、Arduino用系統(tǒng)micros()，根據(jù)兩次記錄的時(shí)間差，精度4微秒。

3、STM用HAL庫(kù)函數(shù)提供的HAL_GetTick()，通過HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/10000); 把計(jì)數(shù)器設(shè)為100微秒，再快會(huì)對(duì)計(jì)算有影響。

硬件說(shuō)明：

1、部分芯片帶硬件乘、除法器，啊，那個(gè)性能好的沒話說(shuō)。

2、32位MCU處理8/16/32位效果都是32位，但要求不高的地方，8位也夠。

3、結(jié)果通過串口返回，Arduino串口超簡(jiǎn)單、STM32用HAL庫(kù)串口通信也還行，這51串口啊，我就不說(shuō)了。

測(cè)試結(jié)果：

分析：

1、Base是空循環(huán)10000次的微秒數(shù)，不同單片機(jī)差別還是挺大的，MIPS完勝，Arduino Due也不錯(cuò)。

2、傳統(tǒng)51，計(jì)算8位加、減法大概3個(gè)時(shí)鐘周期；16位乘除法計(jì)算略慢；32位計(jì)算有點(diǎn)捉襟見肘了；浮點(diǎn)很奇怪，乘除比加減快，所以，可以用32位整數(shù)加減和浮點(diǎn)乘除來(lái)提高計(jì)算性能。

3、STC 1T單片機(jī)確實(shí)不錯(cuò)，性能可跟8位的AVR叫板，考慮它的價(jià)格比AVR便宜，還是有使用價(jià)值滴。

4、Arduino Uno作為Arduino的入門直選，計(jì)算能力還不錯(cuò)，32位加、減法都挺好，尤其浮點(diǎn)計(jì)算，還比51快一些；只是乘除法速度略慢。

5、Arduino Due采用32位ARM芯片，基本上是處理能力最強(qiáng)的Arduino板！32位整數(shù)計(jì)算不像Uno會(huì)往下掉，綜合性能比Uno高5~10倍，尤其乘、除法，硬件計(jì)算就是快?。?/p>

6、chipKIT把我震驚了，原來(lái)MIPS這么快，甩其它芯片幾條街?。。ㄟ@是不開優(yōu)化，開優(yōu)化也甩幾條街） MIPS整數(shù)能力超強(qiáng)，浮點(diǎn)計(jì)算略差，那也比Due快了近一倍！如果用Arduino開發(fā)需要高性能計(jì)算，chipKIT可以選。我用的是他們過時(shí)的產(chǎn)品，新產(chǎn)品系列性能更高，存儲(chǔ)更大！

7、STM32F0是Cortex-M0架構(gòu)的，不得不說(shuō)其綜合能力不低啊。這么說(shuō)是因?yàn)樗膬r(jià)格，比Due、chipKit的ARM、PIC芯片便宜多得多，但性能并不是沒得比。

8、STM32F1是

Cortex-M3架構(gòu)，跟M0比多了硬件除法器，主頻更高。基本上，STM32F1可以壟斷單片機(jī)的市場(chǎng)了，我對(duì)它唯一的希望就是：“把手冊(cè)做的簡(jiǎn)單些，好難懂的說(shuō)！”

綜上所述，對(duì)于單片機(jī)選用哪一款都是可以的，STM32F1系列雖然綜合最好，但學(xué)習(xí)門檻高，不易入門；51芯片雖歷史悠久，性能可圈可點(diǎn)，但在Arduino的沖擊下真沒什么價(jià)值了。業(yè)余愛好者追求的是簡(jiǎn)單操作、快速搭建，Arduino完美的社區(qū)資源是任何其它芯片比不了滴！所以，建議非專業(yè)愛好者還是用Arduino來(lái)搭建原型，需要速度上MIPS芯片的chipKit，總有滿足你的！

以上分析的是無(wú)優(yōu)化性能，有點(diǎn)不公平。因?yàn)?，?shí)際上沒人會(huì)無(wú)優(yōu)化的編譯，那么打開優(yōu)化是什么樣子呢？請(qǐng)看下圖 （Arduino支持-O3，但考慮AVR片上Flash空間緊張，還是用-Os來(lái)說(shuō)，附件有完整-O3的結(jié)果）

哇，性能全部飆升啊！平均都有3~5倍的提升，這也說(shuō)明MCU的速度很依賴編譯器！

Arduino Due的性能比Uno快了近10倍，且Due的乘除性能不比STM32差，得益于ARM核心和硬件計(jì)算單元啊。

MIPS架構(gòu)總體最快，32位性能灰常優(yōu)異，僅浮點(diǎn)比STM32F103略慢。

STM32F103不愧是芯片之王，綜合性能最好，尤其浮點(diǎn)處理能力！用于PID、四軸飛行器的計(jì)算很合適。

最后，真正的樂趣不是看誰(shuí)跑得快，而是設(shè)計(jì)一段程序，讓它能在完全不同的系統(tǒng)跑起來(lái)的那種成就感！這篇文章也是隨手而寫，測(cè)試內(nèi)容并不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，僅作參考。