单片机计算性能大比拼（51, AVR, MIPS, ARM）

写这篇文章纯属偶然，MCU benchmark有很多方法，且不同类型MCU benchmark方法完全不同，很难说谁好谁快？ 不过，对电子爱好者来说，还是挺想知道“我所用的MCU”计算到底多快？本文，就从打酱油、非专业、大无畏精神出发，探讨入门级单片机计算性能到底如何、如何。

单片机能干的事儿很多啊，我通常用来：

控制个灯啊、空调啊、电视啊、小车啊神马的。

用传感器采集个温度啊、湿度啊、电压、电流、水流、人脸啊神马的。

显示输出：液晶、OLED、数码管；声音；电风扇神马的。

超低功耗：家里的中央控制系统基于树莓派，不到2W功耗。

便携。貌似自己做成的东西极少具有便携性。。。

在没有接触Arduino前都是用51倒腾，玩了有几年，觉得51是最适合电子爱好者用的芯片，简单、便宜、功能足够！但接触Arduino后才明白，原来还有这么个东东，比51先进得多，实在太好用了！ 记得学51从二进制地址学起，不太好懂。后来用C开发经常问：“明明 c=a+b; print(c); 就行了，我干嘛要去学指令、寄存器、寻址？”高级语言屏蔽底层很多东西，让编程变得简单。并不是基础知识没用，这好比高等数学这道门槛（俺数学专业），你必须弄懂基础知识体系才能理解数学世界的美妙！但如果是经济学专业，不懂数学基础知识同样可以玩儿转经济学！你从中获得的乐趣跟你投入成正比。所以，我用单片机并不是科班那种需要弄懂MCU每个功能、每个模块，我用单片机就接接外设，完成我的想法而已。也许，只用到了单片机十分之一。说实话，极少使用单片机计算能力（话说这也不是单片机的强项呀），但如你要做个智能小车、四轴飞行器、PID控制，那就需要一定的计算能力了。

开始，只是简单想看看单片机运算有多快，偶然机会跟坛友交换了一块chipKIT Uno32（MIPS芯片），就想横向比较一下不同MCU的差别，于是就有了本文。其实，计算能力通过指令时钟周期来计算，科学准确，但对于不太精通底层知识的我，汇编犹如天书，真心看不懂啊！所以，还是用我自己的土办法测一下吧。

先说测试方法和原理：

只测试+、-、*、/、%五种操作符，uint8_t、uint16_t、uint32_t、uint64_t、float、double六种数据类型的性能。

首先测10000次空循环的时间，然后在循环中加入操作数，记录总的时间，减去空循环时间就是计算消耗的时间。

测试中由于有系统中断（Arduino、STM32都有Tick中断，51为计时也有中断），结果不会很准，话说也没指望它能有多准。。。

编译器优化参数 -O0，一开始测出来的运行时间都为“零”，彻底凌乱。研究之后方得知，编译器优化干掉空循环，需通过参数关闭优化。

不同芯片数据类型支持不一样，有些数据类型会缺失。例如Arduino Uno中的float和double是一样的，都是float；但32位架构MCU中的double是float宽度的两倍。

代码类似这样：

说个小故事。如不关闭测试优化选型，把全局变量定义成局部变量，加法、减法的测试时间为“零”，没错，10000次计算不到4微秒，这显然不可能。后来研究一番方得知编译器默认优化参数是-Os，很多计算直接优化了。。。。

测试用的板子：

传统的AT89C516，还有宏晶鼓吹的1T 51单片机（STC12C5A60S2）

Arduino UNO（ATmega 328），Arduino Due（Atmel SAM3X8E，ARM架构的）

chipKit Uno32（PIC32MX320F128 MIPS架构）

ST Nucleo F0（STM32F030R8），Nucleo F1（STM32F103RB），都是ARM架构的

测试用开发环境：

51谈不上什么优化参数，我用的uVision 2。晶振用22.1184M，据说这个片子可以跑到40M，我就呵呵一下好了。

Arduino IDE 1.6.9，图中2/3都是用Arduino环境，其中编译器参数需要修改platform.txt文件，默认是-Os（优化大小），改成-O0（完全不优化），这个要重启Arduino才能有效。。。

STM用的是MDK 5.16，HAL库。没办法，对STM32真不熟，能捣鼓出结果很不错了！mbed计时函数有问题，F0、F1芯片无法得出微秒级时间，只好用HAL，话说用CubeMX生成代码还真挺方便的。

计时方法：

51用TIMER0计时，这个太简单了，每计数 12/22.1184 微秒啊！

Arduino用系统micros()，根据两次记录的时间差，精度4微秒。

STM用HAL库函数提供的HAL_GetTick()，通过HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/10000); 把计数器设为100微秒，再快会对计算有影响。

硬件说明：

部分芯片带硬件乘、除法器，啊，那个性能好的没话说。

32位MCU处理8/16/32位效果都是32位，但要求不高的地方，8位也够。

结果通过串口返回，Arduino串口超简单、STM32用HAL库串口通信也还行，这51串口啊，我就不说了。

测试结果：

分析 ：

Base是空循环10000次的微秒数，不同单片机差别还是挺大的，MIPS完胜，Arduino Due也不错。

传统51，计算8位加、减法大概3个时钟周期；16位乘除法计算略慢；32位计算有点捉襟见肘了；浮点很奇怪，乘除比加减快，所以，可以用32位整数加减和浮点乘除来提高计算性能。

STC 1T单片机确实不错，性能可跟8位的AVR叫板，考虑它的价格比AVR便宜，还是有使用价值滴。

Arduino Uno作为Arduino的入门直选，计算能力还不错，32位加、减法都挺好，尤其浮点计算，还比51快一些；只是乘除法速度略慢。

Arduino Due采用32位ARM芯片，基本上是处理能力最强的Arduino板！32位整数计算不像Uno会往下掉，综合性能比Uno高5~10倍，尤其乘、除法，硬件计算就是快啊！

chipKIT把我震惊了，原来MIPS这么快，甩其它芯片几条街啊！（这是不开优化，开优化也甩几条街） MIPS整数能力超强，浮点计算略差，那也比Due快了近一倍！如果用Arduino开发需要高性能计算，chipKIT可以选。我用的是他们过时的产品，新产品系列性能更高，存储更大！

STM32F0是Cortex-M0架构的，不得不说其综合能力不低啊。这么说是因为它的价格，比Due、chipKit的ARM、PIC芯片便宜多得多，但性能并不是没得比。

STM32F1是

Cortex-M3架构，跟M0比多了硬件除法器，主频更高。基本上，STM32F1可以垄断单片机的市场了，我对它唯一的希望就是：“把手册做的简单些，好难懂的说！”

综上所述，对于单片机选用哪一款都是可以的，STM32F1系列虽然综合最好，但学习门槛高，不易入门；51芯片虽历史悠久，性能可圈可点，但在Arduino的冲击下真没什么价值了。业余爱好者追求的是简单操作、快速搭建，Arduino完美的社区资源是任何其它芯片比不了滴！所以，建议非专业爱好者还是用Arduino来搭建原型，需要速度上MIPS芯片的chipKit，总有满足你的！

以上分析的是无优化性能，有点不公平。因为，实际上没人会无优化的编译，那么打开优化是什么样子呢？请看下图 （Arduino支持-O3，但考虑AVR片上Flash空间紧张，还是用-Os来说，附件有完整-O3的结果）

哇，性能全部飙升啊！平均都有3~5倍的提升，这也说明MCU的速度很依赖编译器！

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核心和硬件计算单元啊。

MIPS架构总体最快，32位性能灰常优异，仅浮点比STM32F103略慢。

STM32F103不愧是芯片之王，综合性能最好，尤其浮点处理能力！用于PID、四轴飞行器的计算很合适。

最后，真正的乐趣不是看谁跑得快，而是设计一段程序，让它能在完全不同的系统跑起来的那种成就感！这篇文章也是随手而写，测试内容并不是非常严谨，仅作参考。

扩展阅读：

在成文之前搜了下关于MCU的benchmark，才明白我可真是真井底之蛙！早有专业的测试算法工具，比如Dhrystone 。我也把他们在Arduino和MDK平台上都编译了一下，结果挺有意思的，具体结果就不贴了，大家可以自己试一下。如果真的想了解MCU的benchmark还得用这种成熟的方法，土方法只能娱乐而已。。。

Dhrystone

Arduino下可运行：https://github.com/ghalfacree/Arduino-Sketches/tree/master/Dhrystone

STM32下可运行：http://www.stm32duino.com/viewtopic.php?t=76

How to Effectively Measure MCU Efficiency

参考资料：

本文用到的代码和报告：http://pan.baidu.com/s/1i4KNxOx

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Arduino,C51,STM32和ARM等有什么联系和区别？

ARM

ARM公司是由诺基亚、苹果、VLSI、Technology、Acorn等多个知名高科技公司合资成立的。包括我们手机所用的处理器的架构都是ARM公司的，不管是苹果的A11，还是安卓的骁龙835统统用的是ARM的架构，有人会说华为海思麒麟是自主研发的，然而真实的情况是和苹果安卓一样使用的是ARM的架构，比如海思麒麟950采用的是ARM公司的公版架构，华为公司做了哪些呢？要知道ARM公司的公版架构是一个庞大的架构，对于手机优化的可能不是很适配，华为在ARM公版架构的基础上做了改动优化，这就是华为公司的海思麒麟芯片，还有芯片的制造也不是华为所能完成的，能完成这种工艺的全球就没有几家，最为知名的有三星、台积电。

打一个比方：华为在拿到了一个大楼的设计图纸，觉得这个图纸不太适合，然后经过改动，改成了适合我们中国人居住的大楼，这时候又遇到问题了，华为公司没有能造大楼的人才，于是去找台积电建造这个由华为设计出来的大楼。包括全球市值第一的苹果也是找台积电代工芯片。采用ARM架构的不只是手机芯片，包括医疗电子、汽车工业、家电照明、航空器械里面的处理器多为ARM内核，ARM公司不是靠卖芯片盈利，他的盈利方式为授权。基于ARM内核而设计出来的电子产品已经霸占了我们生活中的各个领域，真不敢相信，没有ARM的世界将是什么样子的。

STM32

STM32是意大利知名公司意法半导体生产的32位处理器，和其它的单片机相比，STM32算是是ARM的嫡系，关系最为密切，因为STM32是直接采用的是ARM Cortex-M0、M0+、M3、M4、M7内核。意法半导体做的是在ARM Cortex-M内核上做了一系列的优化，包括存储器、引脚数量、以及各种外设的优化与整改。这就是我们现在所熟知的STM32由来的根源。

51单片机

说到51单片机就不得不提inter了，Intel在1981年推出了8位8051微控制器，后来由于inter要发展电脑芯片业务，于是把8051的内核授权给其它芯片厂商，如ATMEL、台湾的宏晶，我们现在所能看到的51单片机几乎上都是宏晶公司生产的。

Arduino

对于Arduino很多人存在一个误解，如果你问他设计用的什么单片机，他也许会说Arduino单片机，这种说法说的真是太不专业了，或许玩Arduino的同学都只是玩玩吧，真正的Arduino是一个采用AVR单片机为核心的硬件与软件相结合的开源平台，这个开源平台包括Arduino的原理图、PCB和bom表，还有Arduino库函数的开源。真正使Arduino大火的原因是并不是他所采用的AVR单片机，也不是他的硬件，主要原因是库函数与底层硬件整合的天衣无缝，降低了非专业人士玩电子的难度。致使很多不是学电子的同学可以在Arduino上设计出PCB绘画机、WiFi小车等一系列的高级应用。

总结

ARM是一个授权内核的公司，STM32由意法半导体制造、采用ARM Cortex-M内核的一系列单片机，51由宏晶制造、采用Intel8051内核的单片机，而Arduino则是一款采用AVR单片机的开源平台！

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