ARM+DSP、AVR與C51的比較

摘要：ARM+DSP與AVR作為現(xiàn)代CPU設(shè)計(jì)范例，從現(xiàn)代眼光來看，都是非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)。最重要的是吸取了C51體系所顯露出來的問題，在原有系列的基礎(chǔ)上，擁有高性能、高速度，甚至是更低的功耗。
關(guān)鍵詞：ARM、AVR、DSP、C51、單片機(jī)比較分析

單片機(jī)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測、便攜式智能儀器儀表、軍事、航空航天、家用電器、智能玩具、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等領(lǐng)域，使得各類產(chǎn)品無論從功能，還是從精度以及其產(chǎn)品的質(zhì)量方面都大幅度的提升，同時(shí)，設(shè)計(jì)的電路很簡單、可靠性非常高、發(fā)生的故障次數(shù)較低、成本低廉等。單片機(jī)種類很多，本論文只針對ARM+DSP、
AVR和C51單片機(jī)的特點(diǎn)，從不同的側(cè)面進(jìn)行了比較和闡述。

1 單片機(jī)的介紹
單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip Micmprocessor)是微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer，簡稱微機(jī))的一個(gè)重要分支。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因此又稱為微控制器(Microcontroller)。它的體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)，應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)作為控制部分的核心部件，廣泛運(yùn)用于汽車、紅外監(jiān)控設(shè)備、各種電子玩具、各類報(bào)警裝置、各類軍工、航空航天產(chǎn)品等等。

2 ARM+DSP的優(yōu)點(diǎn)
2．1 ARM單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)
2．2．1采用RISC架構(gòu)的ARM單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
(1)體積小、低功耗、低成本、高性能；(2)支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件；(3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；(5)尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；(6)指令長度固定。
2．2．2 ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)
ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、價(jià)格低、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器，是32位單片機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來配置生產(chǎn)。由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行。目前ARM在手持設(shè)備市場占有90％以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)高性能、低功耗、低價(jià)格；(2)豐富的可選擇芯片；(3)廣泛的第三方支持；(4)完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃。
2．2 DSP的優(yōu)點(diǎn)
DSP(digital singnal processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。
DSP的優(yōu)點(diǎn)是可程控，修改方便，穩(wěn)定性好，可重復(fù)性好，抗干擾性能好，0／1電平之間的容限大，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法，系統(tǒng)特性隨輸入信號的改變而改變，功耗小，系統(tǒng)開發(fā)快，價(jià)格低。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有以下特點(diǎn)：(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法以及一次加法；(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；(3)片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件I／O支持；(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

3 AVR的優(yōu)點(diǎn)
采用RISC精簡指令集的高速8位單片機(jī)，簡稱AVR。與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點(diǎn)是：(1)哈佛結(jié)構(gòu)，具備1MIPS／ MHz的高速運(yùn)行處理能力；(2)超功能精簡指令集(RISC)，具有32個(gè)通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用單一ACC進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象；(3)快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號FLASH非常大，特別適應(yīng)于使用高級語言進(jìn)行開發(fā)；(4)作輸出時(shí)與PIC的HI／LOW相同，可輸出40mA(單一輸出)，作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10 mA～20 mA灌電流的能力；(5)片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；(6)大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；(7)大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀。
AVR的優(yōu)點(diǎn)是：(1)簡便易學(xué)，費(fèi)用低廉；(2)高速、低耗、保密；(3)L／O口功能強(qiáng)，具有A／D轉(zhuǎn)換等電路；(4)有功能強(qiáng)大的定時(shí)器／計(jì)算器及通訊接口。

4 C51的優(yōu)點(diǎn)
(1)它從內(nèi)部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器或者布爾處理器，它的處理對象不是字或字節(jié)而是位，這就意味著它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理；(2)C51單片機(jī)還在片內(nèi)RAM區(qū)間特別開辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，其既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用起來靈活方便；(3)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。

5 C51與ARM+DSP的比較
作為處理器，C51、ARM、DSP都不是單獨(dú)作為芯片來提供給用戶的，都要加一些外圍電路來支持，比如：存儲器、控制器、定時(shí)器、UART、SH、I2C等，所以從處理器的角度來比較二者：(1)C51是8位的，ARM是32位的，DSP有16位的，也有更高的；(2)從運(yùn)算能力上看，C51最弱，DSP最強(qiáng)，ARM居中；(3)結(jié)構(gòu)差別較大，C51最簡單，是一般的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，ARM9以上的是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC，DSP一般使用哈佛結(jié)構(gòu)；(4)C51一般芯片面積非常小，工作頻率很低，一般是10多MHz，有的是24MHz，所以功耗低。DSP則頻率很高，高達(dá)300MHz以上，所以功耗也大。ARM芯片面積也很小，ARM7是0．55 mm2，功耗也較小。頻率大約在幾十到200MHz之間；(5)C51一般主要應(yīng)用于不需要太多計(jì)算量的控制類系統(tǒng)。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應(yīng)用于需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理，加密、解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍module一般較少。ARM是C51和DSP之間的一個(gè)折衷；(6)C51的性能遠(yuǎn)不如ARM和DSP，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原因就是性能價(jià)格比。因?yàn)樗墒炝?，太小了，太便宜了。而在一些需要?fù)雜計(jì)算的領(lǐng)域，DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一個(gè)折衷點(diǎn)，并且建立了一個(gè)非常靈活的商業(yè)模型；(7)現(xiàn)在高端產(chǎn)品的一個(gè)趨勢是ARM+DSP；(8)ARM具有完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃：ARM核根據(jù)不同應(yīng)用需求對處理器的性能要求，有一個(gè)從ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定義的CortexM／R／A系列完整的產(chǎn)品線。前幾年應(yīng)用較多的主要是基于V4架構(gòu)的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些處理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7／9系列、Atmel的AT91系列和Samsung的S3C系列。近兩年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的價(jià)格得到快速推廣，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。ARM CortexM／R／A系列分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域。M系列主要面向傳統(tǒng)微控制器(MCU／單片機(jī))應(yīng)用，這類應(yīng)用面很廣，要求處理器有豐富的外設(shè)，并且各方面比較均衡；R系列強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，主要用于實(shí)時(shí)控制，如汽車引擎；A系列面向高性能、低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，如智能手機(jī)。選用ARM處理器進(jìn)行開發(fā)，技術(shù)積累性較強(qiáng)，生命周期長，設(shè)計(jì)重用度高，不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時(shí)，可以針對應(yīng)用需求，從大量的ARM芯片中選用滿足性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性價(jià)比。

6 AVR和ARM的區(qū)別
(1)ARM是IP核，可供各大芯片商集成到各自的設(shè)計(jì)中；AVR這方面就差點(diǎn)，ATMEL一家別無選擇；(2)實(shí)際產(chǎn)品成本方面，AVR優(yōu)于ARM，畢竟AVR是8位機(jī)，配什么外設(shè)都便宜，由于速度比ARM低，PCB版也好設(shè)計(jì)，20MHz的數(shù)字電路基本上只要通就行了，不用過多考慮信號完整性；而ARM的速度能輕易上100MIPS，32位的CPU也可以，速度上AVR根本沒法與ARM相比，不過ARM帶來的問題就多了，要4層PCB，而且ARM的外設(shè)也貴；(3)功能方面，ARM大大優(yōu)于AVR，ARM可以做PDA，手機(jī)；AVR顯然不行。功能上的優(yōu)勢意味著ARM比AVR有著更廣的應(yīng)用范圍；(4)外設(shè)方面AVR稍強(qiáng)，實(shí)際上我們可以看到Atmel公司的基于ARM核的AT91M55800A包括了很多AVR的外設(shè)，但還缺TWI／I2C，可變增益ADC，EEPROM等好用的部件。但是，毫無疑問，ARM的外擴(kuò)外設(shè)能力比AVR強(qiáng)的多，所以外設(shè)方面兩者差不多。操作系統(tǒng)和軟件源碼資源方面，ARM拜Linux之賜，比AVR有優(yōu)勢點(diǎn)。但AVR上的嵌入式操作系統(tǒng)也不是沒有，Uc／OS-Ⅱ就不錯(cuò)；(5)調(diào)試手段方面，ARM應(yīng)該優(yōu)于AVR，AVR就一個(gè)JTAG接口的仿真器可以，但所支持芯片有限，ARM方面書上有相當(dāng)多的方法調(diào)試。

7 AVR與C51的區(qū)別
(1)速度快AVR是精簡指令集單片機(jī)，其開關(guān)電源模塊速度可以達(dá)到1MIPS／s，理論上是傳統(tǒng)的C51的12倍，實(shí)際上在10倍左右；(2)片上資源豐富 MEGA系列片上具備JTAG仿真和下載功能。片內(nèi)含有看門狗電路、片內(nèi)程序Flash、片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM、同步串行接口SPI、異步串口UART、內(nèi)嵌AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、模擬比較器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器、TWI(IIC)總線接口、硬件乘法器、獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)算器RTC、片內(nèi)標(biāo)定的RC振蕩器等片內(nèi)外設(shè)，可以滿足各種開發(fā)需求；(3)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)I／O可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管、LED、繼電器等器件，節(jié)省很多外圍電路，既節(jié)省開發(fā)難度，又降低成本；(4)功耗低低功耗雖然比不上430單片機(jī)，但也是單片機(jī)中佼佼者；(5)可選擇型號種類多 各種不同的MTD2002型號可以滿足不同的需求，讓你的項(xiàng)目有很多的選擇余地；(6)性價(jià)比高在高性能的前提下，并沒有增加芯片的價(jià)格，價(jià)格可以和C51相比，而功能卻是C51不可以比的。

8 結(jié)束語
目前DSP、AVR、ARM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，對DSP、ARM、AVR問題的關(guān)心仍是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢。同時(shí)，隨著新的應(yīng)用的不斷產(chǎn)生，新的嵌入式微處理器也層出不窮，可見ARM微處理器還有很大的發(fā)展空間。相信在未來幾年DSP+ARM及AVR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對我們的工作和生活等各個(gè)方面產(chǎn)生更大的影響，所以學(xué)習(xí)DSP+ARM以及AVR單片機(jī)將會很有前途。