三種常用的八位單片機性能比較

陳再清

八位單片機由于內(nèi)部構(gòu)造簡單，體積小，成本低廉，在一些較簡單的控制器中應(yīng)用很廣。即便到了本世紀，在單片機應(yīng)用中，仍占有相當?shù)姆蓊~。由于八位單片機種類繁多，本文僅將常用的幾種在性能上作一個簡單的比較，供讀者在使用時作參考。

1. 51系列

應(yīng)用最廣泛的八位單片機首推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)上進行性能上的擴充，使得芯片得到進一步的完善，形成了一個龐大的體系，直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機世界炒得沸沸揚揚。有人推測，51芯片可能最終形成事實上的標準MCU芯片。

51系列優(yōu)點之一是它從內(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行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，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也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，十六個字節(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，合128個位，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，因為一個較復(fù)雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關(guān)的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（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產(chǎn)生影響。

有的單片機并不能直接對RAM單元中的位進行操作，如AVR系列單片機中，若想對RAM中的某位置位時，必須通過狀態(tài)寄存器SREG的T位進行中轉(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系列的另一個優(yōu)點是乘法和除法指令，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，只需一條指令就行了，即 MULAB(兩個乘數(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)。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。

在51系列中，還有一條二進制-十進制調(diào)整指令 DA，能將二進制變?yōu)锽CD碼，這對于十進制的計量十分方便。而在其他的單片機中，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)的一次性程序存儲器（OTP）。Atmel公司就將其改為電可改寫的閃速存儲器（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 ……等成為了當今最流行的八位單片機。

51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各I/O口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。低電平時，吸入電流可達20mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力。其原因是高電平時該腳也同時作輸入腳使用，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，欲進行高電平驅(qū)動時，得利用外電路來實現(xiàn)（見附圖），I/O腳不通，電流經(jīng)R驅(qū)動LED發(fā)光；低電平時，I/O腳導(dǎo)通，電流由該腳入地，LED滅（I/O腳導(dǎo)通時對地的電壓降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。

51系列I/O腳使用簡單，但高電平時無輸出能力，可謂有利有弊。故其他系列的單片機（如PIC系列、AVR系列等）對I/O口進行了改進，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（閃速存儲器分別為1K、2K、4K等，但不能外接數(shù)據(jù)存儲器），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之處，如運行速度過慢等。當晶振頻率為12MHz時，機器周期達1μs，顯然適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運行的需要。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系列為增強型，對原有的8051的時序作了改進，每個機器周期從12個時鐘周期改為4個周期，使速度提高了三倍，同時，晶振頻率最高可達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)存儲器打交道的主要途徑(由片外數(shù)據(jù)存儲器讀入片內(nèi)累加器A或由片內(nèi)累加器A 寫入片外數(shù)據(jù)存儲器)，也是程序存儲器與累加器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)塊的搬運和比較，數(shù)據(jù)指針非常吃緊，它需要不斷地實施現(xiàn)場保護與還原，不光編程變得復(fù)雜，而且運行速度也減慢。而當采用兩個數(shù)據(jù)指針時，可以各負其責(zé)，互不相擾，輕松地完成上述過程。兩個數(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DPS為0時，選中數(shù)據(jù)指針DPTR0（復(fù)位時DPS也為0）；DPS為1時，選中數(shù)據(jù)指針DPTR1。DPS位不能位尋址，故不能進行布爾操作，但由于AUXR1的D1位被強制為邏輯“0”，不可能發(fā)生由D0位向D1位進位之可能，因而可以通過對AUXR1進行增1來使D0位由0變?yōu)?或由1變?yōu)?，從而達到雙數(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功能能實現(xiàn)在系統(tǒng)可編程，可以省去通用的編程器，單片機在用戶板上即可下載和燒錄用戶程序，而無需將單片機從生產(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。由于可以將程序下載并觀看運行結(jié)果，故也可以不用仿真器。

單片機的提速運行、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。有的單片機還附有A/D、D/A轉(zhuǎn)換、片內(nèi)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、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，它們都兼容8051的指令系統(tǒng)。增強功能的實現(xiàn)，大都是由片內(nèi)新增的特殊功能寄存器來進行設(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。可以這么說，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單片機系列是美國微芯公司（Microship）的產(chǎn)品，是當前市場份額增長最快的單片機之一。CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令（視單片機的級別而定），屬精簡指令集。而51系列有111條指令，AVR單片機有118條指令，都比前者復(fù)雜。采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運行速度快(指令周期約160～200ns)，它能使程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期（個別除外），這也是高效率運行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動能力強等特點。PIC系列單片機共分三個級別，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為例進行說明。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系列單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路。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腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態(tài)。當置位1時為輸入狀態(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?shù)尿?qū)動能力，低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可達20mA。相對于51系列而言，這是一個很大的優(yōu)點，它可以直接驅(qū)動數(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。

該系列單片機的專用寄存器（SFR）并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區(qū)間內(nèi)(80～FFH)，而是分散在四個地址區(qū)間內(nèi)，即存儲體0（Bank0：00～7FH）、存儲體1(Bank1 ：80～FFH)、存儲體2(Bank2 ：100～17FH)、存儲體3(Bank3 ：180～1FFH)。只有5個專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、 INTCON在4個存儲體內(nèi)同時出現(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。選擇存儲體0

……

BSF STATUS，RP0；置位RP0。選擇存儲體1

……

BCF STATUS，RP0；清零RP0。選擇存儲體0

……

這多少給編程帶來了一些麻煩。對于上述的單片機，它的位指令操作通常限制在存儲體0區(qū)間（00～7FH）。

數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運算基本上都得通過工作寄存器W（相當于51系列的累加器A）來進行，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單片機的瓶頸現(xiàn)象比51系列還要嚴重，這在編程中很有感受。

3．AVR系列

AVR單片機是Atmel公司推出的較為新穎的單片機，其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業(yè)。AVR單片機指令以字為單位，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，同時完成下一條指令的讀取。通常時鐘頻率用4～8MHz，故最短指令執(zhí)行時間為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（R0～R31），前16個寄存器（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16位的寄存器來完成數(shù)據(jù)指針的功能(相當于有三組DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運行，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，所有的邏輯運算都必須在A中進行；而AVR卻可以在任兩個寄存器之間進行，省去了在A中的來回折騰，這些都比51系列強。

AVR的專用寄存器集中在00～3F地址區(qū)間，無需像PIC那樣得先進行選存儲體的過程，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僅僅是用來存儲數(shù)據(jù)的，通常不具備通用寄存器的功能。當程序復(fù)雜時，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128個（為AVR的4倍），編程時就不會有這種感覺。

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。

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。