AVR,C51和PIC八位單片機(jī)性能比較
八位單片機(jī)由于內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，體積小，成本低廉，在一些較簡(jiǎn)單的控制器中應(yīng)用很廣。即便到了本世紀(jì)，在單片機(jī)應(yīng)用中，仍占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。由于八位單片機(jī)種類(lèi)繁多，本文僅將常用的幾種在性能上作一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，供讀者在使用時(shí)作參考。
1. 51系列
應(yīng)用最廣泛的八位單片機(jī)首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢(shì)。世界有許多著名的芯片公司都購(gòu)買(mǎi)了51芯片的核心專(zhuān)利技術(shù)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行性能上的擴(kuò)充，使得芯片得到進(jìn)一步的完善，形成了一個(gè)龐大的體系，直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機(jī)世界炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。有人推測(cè)，51芯片可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片。
51系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱(chēng)作位處理器，或布爾處理器。它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。雖然其他種類(lèi)的單片機(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬少見(jiàn)。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié)，單元地址20H～2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理(作位處理時(shí)，合128個(gè)位，相應(yīng)位地址為00H～7FH)，使用極為靈活。這一功能無(wú)疑給使用者提供了極大的方便，因?yàn)橐粋(gè)較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測(cè)，以確定程序的運(yùn)行方向。而實(shí)施這一處理(包括前面所有的位功能)，只需用一條位操作指令即可。
例1：如對(duì)21H的第0位(相應(yīng)位地址為08H)置位，只需用一條位指令，
SETB08H
對(duì)周?chē)钠渌徊粫?huì)產(chǎn)生影響。
有的單片機(jī)并不能直接對(duì)RAM單元中的位進(jìn)行操作，如AVR系列單片機(jī)中，若想對(duì)RAM中的某位置位時(shí)，必須通過(guò)狀態(tài)寄存器SREG的T位進(jìn)行中轉(zhuǎn)。
例2：如對(duì)RAM中的R0寄存器的第4位置位，則
BSET6 ;狀態(tài)寄存器T置位
BLD R0, 4 ;將T位復(fù)制到R0的第4位
顯然，后者比前者要復(fù)雜。
51系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便利。八位除以八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。作乘法時(shí)，只需一條指令就行了，即 MULAB(兩個(gè)乘數(shù)分別在累加器A和寄存器B中。積的低位字節(jié)在累加器A中，高位字節(jié)在寄存器B中)。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。
在51系列中，還有一條二進(jìn)制-十進(jìn)制調(diào)整指令 DA，能將二進(jìn)制變?yōu)锽CD碼，這對(duì)于十進(jìn)制的計(jì)量十分方便。而在其他的單片機(jī)中，則也需調(diào)用專(zhuān)用的子程序才行。
Intel公司51系列的典型產(chǎn)品是8051，片內(nèi)有4K字節(jié)的一次性程序存儲(chǔ)器(OTP)。Atmel公司就將其改為電可改寫(xiě)的閃速存儲(chǔ)器(Flash)，容許改寫(xiě)1000次以上，這給編程和調(diào)試帶來(lái)極大的便利，其產(chǎn)品AT89C51、AT89C52 ……等成為了當(dāng)今最流行的八位單片機(jī)。
51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平(復(fù)位時(shí)，各 I/O口均置高電平)。當(dāng)該腳作輸出腳使時(shí)，則為高電平或低電平均可。低電平時(shí)，吸入電流可?0mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力;而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十 μA甚至更小(電流實(shí)際上是由腳的上拉電流形成的)，基本上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力。其原因是高電平時(shí)該腳也同時(shí)作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流必須很小才行。作輸出腳使用，欲進(jìn)行高電平驅(qū)動(dòng)時(shí)，得利用外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，I/O腳不通，電流經(jīng)R驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光;低電平時(shí)，I/O腳導(dǎo)通，電流由該腳入地，LED滅(I/O腳導(dǎo)通時(shí)對(duì)地的電壓降小于1V，LED的域值1.5～1.8V)。
51系列I/O腳使用簡(jiǎn)單，但高電平時(shí)無(wú)輸出能力，可謂有利有弊。故其他系列的單片機(jī)(如PIC系列、AVR系列等)對(duì)I/O口進(jìn)行了改進(jìn)，增加了方向寄存器以確定輸入或輸出，但使用也變得復(fù)雜。
一些簡(jiǎn)裝的51產(chǎn)品也相應(yīng)出現(xiàn)，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等(閃速存儲(chǔ)器分別為1K、2K、4K等，但不能外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，指令系統(tǒng)與AT89C51完全兼容，但引腳均為20腳，不光體積小，而且價(jià)格低廉，這使得其他的公司競(jìng)相仿照。
不過(guò)，原51系列也有許多值得改進(jìn)之處，如運(yùn)行速度過(guò)慢等。當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，機(jī)器周期達(dá)1μs，顯然適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運(yùn)行的需要。華邦公司(Winbond)生產(chǎn)的產(chǎn)品型號(hào)為W77系列和W78系列，W78系列與AT89C系列完全兼容。 W77系列為增強(qiáng)型，對(duì)原有的8051的時(shí)序作了改進(jìn)，每個(gè)機(jī)器周期從12個(gè)時(shí)鐘周期改為4個(gè)周期，使速度提高了三倍，同時(shí)，晶振頻率最高可達(dá) 40MHz。W77系列還增加了看門(mén)狗WatchDog、兩組UART、兩組DPTR數(shù)據(jù)指針、ISP等多種功能。
特別是雙數(shù)據(jù)指針，能給編程帶來(lái)很大的便利。在51系列中，數(shù)據(jù)指針DPTR是片內(nèi)與片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器打交道的主要途徑(由片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀入片內(nèi)累加器A或由片內(nèi)累加器A 寫(xiě)入片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，也是程序存儲(chǔ)器與累加器A之間的數(shù)據(jù)傳送的必由之路。由于頻繁的數(shù)據(jù)交換，特別是數(shù)據(jù)塊的搬運(yùn)和比較，數(shù)據(jù)指針?lè)浅３跃o，它需要不斷地實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與還原，不光編程變得復(fù)雜，而且運(yùn)行速度也減慢。而當(dāng)采用兩個(gè)數(shù)據(jù)指針時(shí)，可以各負(fù)其責(zé)，互不相擾，輕松地完成上述過(guò)程。兩個(gè)數(shù)據(jù)指針的選取取決于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。當(dāng)DPS為0時(shí)，選中數(shù)據(jù)指針DPTR0(復(fù)位時(shí)DPS也為0);DPS為1時(shí)，選中數(shù)據(jù)指針 DPTR1。DPS位不能位尋址，故不能進(jìn)行布爾操作，但由于AUXR1的D1位被強(qiáng)制為邏輯“0”，不可能發(fā)生由D0位向D1位進(jìn)位之可能，因而可以通過(guò)對(duì)AUXR1進(jìn)行增1來(lái)使D0位由0變?yōu)?或由1變?yōu)?，從而達(dá)到雙數(shù)據(jù)指針的快速切換的目的，如：
例3：
MOVAUXR1,#0 ; DPS為0，DPTR0有效
……
INC AUXR1 ; DPS為1，DPTR1有效
……
INC AUXR1 ; DPS為0，DPTR0有效
……
ISP功能能實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程，可以省去通用的編程器，單片機(jī)在用戶板上即可下載和燒錄用戶程序，而無(wú)需將單片機(jī)從生產(chǎn)好的產(chǎn)品上取下。未定型的程序還可以邊生產(chǎn)邊完善，加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，減少了新產(chǎn)品因軟件缺陷帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。由于可以將程序下載并觀看運(yùn)行結(jié)果，故也可以不用仿真器。
單片機(jī)的提速運(yùn)行、雙數(shù)據(jù)指針及ISP功能并非是W77系列所特有的，一些新的型號(hào)的51系列產(chǎn)品大都有該功能，如Philips的51LPC系列、AT89系列中的某些型號(hào)、STC89C系列等等。有的單片機(jī)還附有A/D、D/A轉(zhuǎn)換、片內(nèi)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、PWM輸出、I2C總線、上電復(fù)位檢測(cè)、欠壓復(fù)位檢測(cè)等等，這些新系列的單片機(jī)，它們都兼容8051的指令系統(tǒng)。增強(qiáng)功能的實(shí)現(xiàn)，大都是由片內(nèi)新增的特殊功能寄存器來(lái)進(jìn)行設(shè)置，這些寄存器被安排在片內(nèi)特殊功能寄存器區(qū)間(80～FFH)的預(yù)留地址上。
比較有代表性的產(chǎn)品還有STC89C51RC、C8051F331/330等等？梢赃@么說(shuō)，新的51產(chǎn)品幾乎可以涵蓋所有新的功能。由于新型號(hào)的芯片種類(lèi)太多，此處不可能一一列舉，讀者可根據(jù)使用的需求查閱相關(guān)的資料.
2.PIC系列
PIC單片機(jī)系列是美國(guó)微芯公司(Microship)的產(chǎn)品，是當(dāng)前市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快的單片機(jī)之一。CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令(視單片機(jī)的級(jí)別而定)，屬精簡(jiǎn)指令集。而51系列有111條指令，AVR單片機(jī)有118 條指令，都比前者復(fù)雜。采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快(指令周期約160～200ns)，它能使程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲(chǔ)器取出下一條指令，這樣總的看來(lái)每條指令只需一個(gè)周期(個(gè)別除外)，這也是高效率運(yùn)行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PIC系列單片機(jī)共分三個(gè)級(jí)別，即基本級(jí)、中級(jí)、高級(jí)。其中又以中級(jí)的PIC16F873(A)、PIC16F877 (A) 用的最多，本文以這兩種單片機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。這兩種芯片除了引出腳不同外(PIC16F873(A)為28腳的PDIP或SOIC封裝;PIC16F877(A)為40腳的PDIP或44腳的PLCC/QFP封裝)，其他的差別并不很蟆?
PIC系列單片機(jī)的I/O 口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補(bǔ)推挽輸出電路。I/O腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器(TRISn , 其中n對(duì)應(yīng)各口，如A、B、C、D、E等)，從而解決了51系列I/O腳為高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。當(dāng)置位1時(shí)為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對(duì)外均呈高阻狀態(tài);置位0時(shí)為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力，低電平吸入電流達(dá)25mA，高電平輸出電流可達(dá) 20mA。相對(duì)于51系列而言，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示且外電路簡(jiǎn)單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調(diào)試及編程(ISP)功能。
該系列單片機(jī)的專(zhuān)用寄存器(SFR)并不像51系列那樣都集中在一個(gè)固定的地址區(qū)間內(nèi)(80～FFH)，而是分散在四個(gè)地址區(qū)間內(nèi)，即存儲(chǔ)體0(Bank0： 00～7FH)、存儲(chǔ)體1(Bank1 ：80～FFH)、存儲(chǔ)體2(Bank2 ：100～17FH)、存儲(chǔ)體3(Bank3 ：180～1FFH)。只有5個(gè)專(zhuān)用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、 INTCON在4個(gè)存儲(chǔ)體內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)。在編程過(guò)程中，少不了要與專(zhuān)用寄存器打交道，得反復(fù)地選擇對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)體，也即對(duì)狀態(tài)寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。如：
例4:
CLRFSTATUS ;清零RP1, RP0。選擇存儲(chǔ)體0
……
BSF STATUS，RP0;置位RP0。選擇存儲(chǔ)體1
……
BCF STATUS，RP0;清零RP0。選擇存儲(chǔ)體0
……
這多少給編程帶來(lái)了一些麻煩。對(duì)于上述的單片機(jī)，它的位指令操作通常限制在存儲(chǔ)體0區(qū)間(00～7FH)。
數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過(guò)工作寄存器W(相當(dāng)于51系列的累加器A)來(lái)進(jìn)行，而51系列的還可以通過(guò)寄存器相互之間直接傳送(如：MOV 30H，20H;將寄存器20H的內(nèi)容直接傳送至寄存器30H中)，因而PIC單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象比51系列還要嚴(yán)重，這在編程中很有感受。
3.AVR系列
AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的較為新穎的單片機(jī)，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗。它取消機(jī)器周期，以時(shí)鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)。AVR單片機(jī)指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時(shí)完成下一條指令的讀取。通常時(shí)鐘頻率用4～8MHz，故最短指令執(zhí)行時(shí)間為 250～125ns。該系列的型號(hào)較多，但可用下面三種為代表：AT90S2313(簡(jiǎn)裝型)、AT90S8515、AT90S8535(帶A/D轉(zhuǎn)換)。
通用寄存器一共32個(gè)(R0～R31)，前16個(gè)寄存器(R0～R15)都不能直接與立即數(shù)打交道，因而通用性有所下降。而在51系列中，它所有的通用寄存器(地址00～7FH)均可以直接與立即數(shù)打交道，顯然要優(yōu)于前者。
AVR系列沒(méi)有類(lèi)似累加器A的結(jié)構(gòu)，它主要是通過(guò)R16～R31寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)A的功能。在AVR中，沒(méi)有像51系列的數(shù)據(jù)指針DPTR，而是由X(由R26、R27組成)、Y(由R28、R29組成)、Z(由R30、R31組成)三個(gè)16位的寄存器來(lái)完成數(shù)據(jù)指針的功能(相當(dāng)于有三組DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運(yùn)行，如：
例5：
LDRd, X ;將X所指的地址的內(nèi)容裝入寄存器Rd中。
LDRd,Y+;將Y所指的地址的內(nèi)容裝入寄存器Rd
中，然后Y的地址增1。
LDRd，-X ;將X的地址減1所指的地址的內(nèi)容裝入
寄存器Rd中。
在51系列中，所有的邏輯運(yùn)算都必須在A中進(jìn)行;而AVR卻可以在任兩個(gè)寄存器之間進(jìn)行，省去了在A中的來(lái)回折騰，這些都比51系列強(qiáng)。
AVR的專(zhuān)用寄存器集中在00～3F地址區(qū)間，無(wú)需像PIC那樣得先進(jìn)行選存儲(chǔ)體的過(guò)程，使用起來(lái)比PIC方便。AVR的片內(nèi)RAM的地址區(qū)間為0060～$00DF(AT90S2313) 和 0060～025F(AT90S8515、AT90S8535)，它們占用的是數(shù)據(jù)空間的地址，這些片內(nèi)RAM僅僅是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，通常不具備通用寄存器的功能。當(dāng)程序復(fù)雜時(shí)，通用寄存器R0～R31就顯得不夠用;而51系列的通用寄存器多達(dá)128個(gè)(為AVR的4倍)，編程時(shí)就不會(huì)有這種感覺(jué)。
AVR的I/O腳類(lèi)似PIC，它也有用來(lái)控制輸入或輸出的方向寄存器，在輸出狀態(tài)下，高電平輸出的電流在10mA左右，低電平吸入電流20mA。雖不如PIC，但比51系列強(qiáng)。
以上的三種AVR型號(hào)其管腳與對(duì)應(yīng)的51系列兼容，如AT90S2313與51系列的AT89C2051的管腳兼容(PDIP-20腳)，AT90S8515、AT90S8535與51系列的AT89C51兼容(PDIP-40腳)等等。
擴(kuò)展閱讀：51單片機(jī)、AVR單片機(jī)和PIC單片機(jī)IO口的操作
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-19
