三种常用的八位单片机性能比较

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了5l芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

    51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH～7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。

    例1：如对2lH的第0位(相应位地  址为08H)置位，只需用一条位指令

    SFTR 08H
   
    对周围的其他位不会产生影响。

    有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作，如AVR系列单片机中，若想对RAM中的某位置位时，必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。

    例2：如对RAM中的RO寄存器的第4位置位，则

    BSET 6 ；状态寄存器T置位

    BLD RO.4  ；将T位复制到RO的第4位

    显然，后者比前者要复杂。

    51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即MuL AB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘**能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

    在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。

    Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器(OTP)。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器(Flash)，容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品AT89C51、AT89C52…等成为了当今最流行的八位单片机。

    51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平(复位时，各I/O口均置高电平)。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小(电流实际上是由脚的上拉电流形成的)，基本上没有驱动能力。其原因是高电平时该脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现(见附图)，I/O脚不通，电流 经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭(I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5-1.8V)。

    5l系列I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机(如PIC系列、AVR系列等)对I/O口进行了改进，增加了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。

    一些简装的5l产品也相应出现，如Atmel公司的AT89C1051、AT89c2051、AT89C405l等(闪速存储器分别为1K、2K、4K等，但不能外接数据存储器)，指令系统与AT89C5 l完全兼容，但引脚均为20脚，不光体积小，而且价格低廉，这使得其他的公司竞相仿照。

    不过，原51系列也有许多值得改进之处，如运行速度过慢等。当晶振频率为12MHz时，机器周期达1μs，显然适应不了现代高速运行的需要。华邦公司(Winbond)生产的产品型号为W77系列和W78系列，W78系列与AT89C系列完全兼容。W77系列为增强型，对原有的8051的时序作了改进，每个机器周期从12个时钟周期改为4个周期，使速度提高了三倍，同时，晶振频率最高可达40MHz。W77系列还增加了看门狗WatchDog、两组UART、两组DVTR数据指针、ISP等多种功能。

    特别是双数据指针，能给编程带来很大的便利。在51系列中，数据指针DPTR是片内与片外的数据存储器打交道的主要途径(由片外数据存储器读入片内累加器A或由片内累加器A写入片外数据存储器)，也是程序存储器与累加器A之间的数据传送的必由之路。由于频繁的数据交换，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，不光编程变得复杂，而且运行速度也减慢。而当采用两个数据指针时，可以各负其责，互不相扰，轻松地完成上述过程。两个数据指针的选取取决于特殊功能寄存器AuxR 1的第DO位DPS。当DPS为0时，选中数据指针DVTRO(复位时DPS也为0)；DPS为1时，选中数据指针DPTRl。DPS位不能位寻址，故不能进行布尔操作，但由于AUXRl的D1位被强制为逻辑“0”，不可能发生由DO位向Dl位进位之可能，因而可以通过对AuXRl进行增1来使DO位由O变为l或由1变为0，从而达到双数据指针的快速切换的目的，如：

    例3：

  MOV AuXRI #0；DPS为O，DPTRO有效

  INC  AuxRl    ：DPS为1，DPTRl有效

  INc    AuxRl    ；DPS为0，DPTRO有效

    ISP功能能实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善，加快了产品的开发速度，减少了新产品因软件缺陷带来的风险。由于可以将程序下载并观看运行结果，故也可以不用仿真器。

    单片机的提速运行、双数据指针及ISP功能并非是W77系列所特有的，一些新的型号的51系列产品大都有该功能，如Philips的51LPC系列、AT89系列中的某些型号、STC89C系列等等。有的单片机还附有A/D、D/A转换、片内EEPROM数据存储器、PWM输出、I2C总线、上电复位检测、欠压复位检测等等，这些新系列的单片机，它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现，大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置，这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间(80-FFH)的预留地址上。

    比较有代表性的产品还有STC89C51RC、C8051F331/330等等。可以这么说，新的51产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多，此处不可能一一列举，读者可根据使用的需求查阅相关的资料。

    PIC单片机系列是美国微芯公司(MiCroShip)的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令(视单片机的级别而定)，属精简指令集。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。采用Haryard双总线结构，运行速度快(指令周期约160～200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。其中又以中级的PICl6F873(A)、PICl6F877(A)用的最多，本文以这两种单片机为例进行说明。这两种芯片除了引出脚不同外(：PICl6F873(A)为28脚的PDIP或SOIC封装PICl6F877(A)为40脚的PDIP或44脚的PICC／QFP封装)，其他的差别并不很大。

    PIC系列单片机的：I／O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I／O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器(TRISn，其中n对应各口，如A、B、C、D、E等)，从而解决了51系列I／O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸人电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的A／D为10位，能满足精度要求。具有在线调试及编程(ISP)功能。

    该系列单片机的专用寄存器(SFR)并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80～FFH)，而是分散在四个地址区间内，即存储体0(Bank0：00-7FH)、存储体1(Bankl：80-FFH)、存储体2(Bank2：100-17FH)、存储体3(Bank3：180-1FFH)。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4个存储体内同时出现。在编程过程中，少不了要与专用寄存器打交道，得反复地选择对应的存储体，也即对状态寄存器STATUS的第6位(RPl)和第5位(RPO)置位或清零。如：

    例4：

  CLRF STATUS  ；清零RPl，RPO。选择存储体O  BSF STAUS，RPO；置位RPO。选择存储体1  BCF STATUS，RPO；清零RPO。选择存储体O

    这多少给编程带来了一些麻烦。对于上述的单片机，它的位指令操作通常限制在存储体0区间(00～7FH)。

    数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器w(相当于5l系列的累加器A)来进行，而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送(如：MOV30H，20H；将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中)，因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重，这在编程中很有感受。

    AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125nS。该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：AT90S231 3(简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带A／D转换）。   

    通用寄存器一共32个(RO-R31)，前16个寄存器(R0～R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而在5l系列中，它所有的通用寄存器(地址00-7FH)均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。

    AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像5l系列的数据指针DPTR，而是由X(由R26、R27组成)、Y(由R28、．R29组成)、z(由R30、R31组成)三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行，如：

    例5：

  LD Rd，x    ；将X所指的地址的内容装人寄存器Rd中。

  LD Rd，Y+  ；将Y所指的地址的内容装入寄存器Rd中，然后Y的地址增1。

  LD Rd，-x；将X的地址减1所指的地址的内容装入寄存器Rd中。

    在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列强。

    AVR的专用寄存器集中在＄00～＄3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。AVR的片内RAM的地址区间为＄0060～＄00DF(AT90S23131)和＄0060～＄025F(AT90S85l5、AT90S8535)，它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0一R31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍)，编程时就不会有这种感觉。

    AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列强。

    以上的三种AVR型号其管脚与对应的51系列兼容，如AT90S2313与51系列的AT89C2051的管脚兼容(PDIP-20脚)，AT90S8515、AT90S8535与5l系列的AT89C51兼容(PDIP-40脚)等等。