AVR，C51和PIC八位單片機(jī)性能比較

　　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。世界有許多著名的芯片公司都購買了51芯片的核心專利技術(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,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),稱作位處理器,或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對片內(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,使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機(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。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個(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)行過程中,需要對有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測,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
　　對周圍的其他位不會(huì)產(chǎn)生影響。
　　有的單片機(jī)并不能直接對RAM單元中的位進(jìn)行操作,如AVR系列單片機(jī)中,若想對RAM中的某位置位時(shí),必須通過狀態(tài)寄存器SREG的T位進(jìn)行中轉(zhuǎn)。
　　例2：如對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的閃速存儲(chǔ)器（Flash）,容許改寫1000次以上,這給編程和調(diào)試帶來極大的便利,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)該腳作輸出腳使用時(shí),則為高電平或低電平均可。低電平時(shí),吸入電流可達(dá)20mA,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?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的）,基本上沒有驅(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),得利用外電路來實(shí)現(xiàn)（見附圖）,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腳使用簡單,但高電平時(shí)無輸出能力,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相仿照。

　　不過,原51系列也有許多值得改進(jìn)之處,如運(yùn)行速度過慢等。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)指針非常吃緊,它需要不斷地實(shí)施現(xiàn)場保護(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,因而可以通過對AUXR1進(jìn)行增1來使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)品的開發(fā)速度,減少了新產(chǎn)品因軟件缺陷帶來的風(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、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、欠壓復(fù)位檢測等等,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,新的51產(chǎn)品幾乎可以涵蓋所有新的功能。由于新型號的芯片種類太多,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)系列是美國微芯公司（Microship）的產(chǎn)品,是當(dāng)前市場份額增長最快的單片機(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)的級別而定）,屬精簡指令集。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)器的訪問和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問并行處理,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)級別,即基本級、中級、高級。其中又以中級的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）,其他的差別并不很大。

　　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)。在編程過程中,少不了要與專用寄存器打交道,得反復(fù)地選擇對應(yīng)的存儲(chǔ)體,也即對狀態(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
　　 ……

　　這多少給編程帶來了一些麻煩。對于上述的單片機(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)算基本上都得通過工作寄存器W（相當(dāng)于51系列的累加器A）來進(jìn)行,而51系列的還可以通過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。該系列的型號較多,但可用下面三種為代表：AT90S2313(簡裝型)、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系列沒有類似累加器A的結(jié)構(gòu),它主要是通過R16～R31寄存器來實(shí)現(xiàn)A的功能。在AVR中,沒有像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中的來回折騰,這些都比51系列強(qiáng)。

　　AVR的專用寄存器集中在00～3F地址區(qū)間,無需像PIC那樣得先進(jìn)行選存儲(chǔ)體的過程,使用起來比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。

　　AVR的I/O腳類似PIC,它也有用來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型號其管腳與對應(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。