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AVR、51系列、PIC单片机的对比分析

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发表于 2017-11-15 10:14:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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AVR、51系列、PIC单片机的对比分析

51系列是应用最广泛的单片机,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51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。

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。

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,只需一条指令即可。很多的八位单片机都不具备乘法功能,作乘法时还得编上一段子程序调用,十分不便。
51系列的I/O脚的设置和使用非常简单,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。

同时,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。

2、PIC单片机的优缺点分析。
PIC单片机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,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功能。

该系列单片机的专用寄存器)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。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。

综合来说PIC单片机应该说有三个主要特点:
(1)总线结构:MCS-51单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指令和数据,两者不能同时进行;而PIC单片机的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC单片机中采用了哈佛双总线结构,所以与常见的微控制器不同的一点是:程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的,但指令总线位数分别位12、14、16位。

(2)流水线结构:MCS-51单片机的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行完后再取下一条指令;而PIC的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。

(3)寄存器组IC单片机的所有寄存器,包括I/O口,定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而MCS-51单片机需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。


AVR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。

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。
综合来看,AVR与51、PIC单片机相比具有一系列的优点,用通俗的说法主要体现在这几个方面:
(1)、在相同的系统时钟下AVR运行速度最快;
(2)、所有AVR单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写),入门费用非常少;
(3)、片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能,使得电路设计变得非常简单;
(4)、每个IO口作输出时都可以输出很强的高、低电平,作输入时IO口可以是高阻抗或者带上拉电阻;
(5)、片内具有丰富实用的资源,如AD模数器、DA数模器,丰富的中断源、SPI、USART、TWI通信口、PWM等等;
(6)、片内采用了先进的数据加密技术,大大的提高了破解的难度;
(7)、片内FLASH空间大、品种多,引脚少的有8脚,多的有64脚等各种封装
(8)、部分芯片的引脚兼容51系列,代换容易,如ATtiny2313兼容AT89C2051,ATmega8515/162兼容AT89S51等


各种单片机都有各自的优缺点,应根据需要选择。选择单片机原则如下:
1. 单片机的基本参数例如速度,程序存储器容量,I/O引脚数量
2. 单片机的增强功能,例如看门狗,双指针,双串口,RTC(实时时钟),EEPROM,扩展RAM,CAN接口,I2C接口,SPI接口,USB接口。
3. Flash和OTP(一次性可编程)相比较,最好是Flash。
4. 封装IP(双列直插),PLCC(PLCC有对应插座)还是贴片。DIP封装在做实验时可能方便一点。
5. 工作温度范围,工业级还是商业机。如果设计户外产品,必须选用工业级。
6. 功耗,比如设计并口加密狗,信号线取电只能提供几个mA,用PIC就是因为低功耗,后来出了MSP430也不错。
7. 工作电压范围。例如设计电视机遥控器,2节干电池供电,至少应该能在1.8-3.6V电压范围内工作。
8. 供货渠道畅通。能申请样片,小批量购买有现货。最好像标准51,中发里随便找个柜台就能买到(我在北京)
9. 价格低。
10. 有服务商,像周立功公司推Philips,双龙公司推AVR,都提供了很多有用的技术支持,起码烧写器有地方买。
11. 烧录器价格低,如果是ICP(把单片机放在烧录器上编程)能否利用现有的烧录器,如果是表贴封装,买一个转接座也很贵,至少得一二百元。能否ISP(在系统编程,即把芯片先焊到板子上再通过预留的ISP接口编程),一般ISP编程器比较便宜大约一二百元甚至几十元。
12. 仿真器便宜。对于FLASH型单片机,仿真器不是必备的。但是对于OTP(一次性可编程)型单片机,必须购买或者租用仿真器。
13. 单片机汇编语言是自己熟悉的,并且能支持C语言。编程环境要像keil一样好用,并且还是免费的。

14. 网站速度快,资料丰富。包括芯片手册,应用指南,设计方案,范例程序。最好有中文,像Atmel就不错。
15. 保密性能好,查一下专业解密网站上的黑名单,再发个mail咨询一下解密价格。
16. 抗干扰性能好。我曾经把XXC52改为S52后发现抗干扰性能下降,只好改回去。
17. 和其他外设芯片放在一起的综合考虑

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