51、AVR、PIC、MSP430、ARM五大單片機全解析

　　據統計，我國的單片機年容量已達1－3億片，且每年以大約16%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1%。這說明單片機應用在我國才剛剛起步，有著廣闊的前景。培養單片機應用人才，特別是在工程技術人員中普及單片機知識有著重要的現實意義。

　　當今單片機廠商琳瑯滿目，產品性能各異。針對具體情況，我們應選何種型號呢？首先，我們來弄清兩個概念：集中指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）。采用CISC結構的單片機數據線和指令線分時復用，即所謂馮。諾伊曼結構。它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數據不能同時進行，速度受限，價格亦高。采用RISC結構的單片機數據線和指令線分離，即所謂哈佛結構。這使得取指令和取數據可同時進行，且由于一般指令線寬于數據線，使其指令較同類CISC單片機指令包含更多的處理信息，執行效率更高，速度亦更快。同時，這種單片機指令多為單字節，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現超小型化。

　　8051

　　單片微型計算機簡稱為單片機，又稱為微型控制器，是微型計算機的一個重要分支。單片機是70年代中期發展起來的一種大規模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統于同一硅片的器件。80年代以來，單片機發展迅速，各類新產品不斷涌現，出現了許多高性能新型機種，現已逐漸成為工廠自動化和各控制領域的支柱產業之一。

　　AVR和pic都是跟8051結構不同的8位單片機，因為結構不同，所以匯編指令也有所不同，而且區別于使用CISC指令集的8051，他們都是RISC指令集的，只有幾十條指令，大部分指令都是單指令周期的指令，所以在同樣晶振頻率下，較8051速度要快。另PIC的8位單片機前幾年是世界上出貨量最大的單片機，飛思卡爾的單片機緊隨其后。ARM實際上就是32位的單片機，它的內部資源（寄存器和外設功能）較8051和PIC、AVR都要多得多，跟計算機的CPU芯片很接近了。常用于手機、路由器等等。DSP其實也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專門用來計算數字信號的。在某些公式運算上，它比現行家用計算機的最快的CPU還要快。比如說一般32位的DSP能在一個指令周期內運算完一個32位數乘32位數積再加一個32位數。應用于某些對實時處理要求較高的場合。

　　AVR

　　高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位指標，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。

　　早期單片機主要由于工藝及設計水平不高，一直是衡量單片機性能的重要、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩妥方案：即采用較高的分頻系數對時鐘分頻，使得指令周期長，執行速度慢以后的CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數等措施，但這種狀態并。未被徹底改觀（51以及51兼容）。此間雖有某些精簡指令集單片機（RISC）問世，但依然沿襲對時鐘分頻的作法。

　　AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機（CISC）追求指令完備的做法；采用精簡指令集，以字作為指令長度單位內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中（指令集中占大多數的單周期指令都是如此），取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。

　　AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32個寄存器文件）和單體高速輸入/輸出的方案（即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯）。提高了指令執行速度（1Mips/MHz），克服了瓶頸現象，增強了功能；同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。

　　總結起來，AVR有以下幾個特點

　　●哈佛結構，具備1MIPS/MHz的高速運行處理能力；

　　●超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用單一ACC進行處理造成的瓶頸現象；

　　●快速的存取寄存器組、單周期指令系統，大大優化了目標代碼的大小、執行效率，部分型號FLASH非常大，特別適用于使用高級語言進行開發；

　　●作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設置為三態高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；

　　●片內集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統更加穩定可靠；

　　●大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，AnalogComparator，WDT等；

　　●大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀應用程序AVR系列單片機的選型AVR單片機系列齊全，可適用于各種不同場合的要求。AVR單片機有3個檔次：

　　低檔Tiny系列AVR單片機：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中檔AT90S系列AVR單片機：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；（正在淘汰或轉型到Mega中）高檔ATmega系列AVR單片機：主要有ATmega8/16/32/64/128（存儲容量為8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。

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　　PIC

　　PIC到底有什么優勢？也許你也會有這樣的疑問，所以我在這里略談幾點自己的看法。

　　1）PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發，重視產品的性能與價格比，靠發展多種型號來滿足不同層次的應用要求。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源的需求也是不同的。比如，一個摩托車的點火器需要一個I/O較少、RAM及程序存儲空間不大、可靠性較高的小型單片機，若采用40腳且功能強大的單片機，投資大不說，使用起來也不方便。PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。其中，PIC12C508單片機僅有8個引腳，是世界上最小的單片機。

　　該型號有512字節ROM、25字節RAM、一個8位定時器、一根輸入線、5根I/O線，市面售價在3－6元人人民幣。這樣一款單片機在象摩托車點火器這樣的應用無疑是非常適合。PIC的高檔型號，如PIC16C74（尚不是最高檔型號）有40個引腳，其內部資源為ROM共4K、192字節RAM、8路A/D、3個8位定時器、2個CCP模塊、三個串行口、1個并行口、11個中斷源、33個I/O腳。這樣一個型號可以和其它品牌的高檔型號媲美。

　　2）精簡指令使其執行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機具有獨特的RISC結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多于8位的數據位數，這與傳統的采用CISC結構的8位單片機相比，可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。

　　3）產品上市零等待（Zerotimetomarket）。采用PIC的低價OTP型芯片，可使單片機在其應用程序開發完成后立刻使該產品上市。

　　4）PIC有優越開發環境。OTP單片機開發系統的實時性是一個重要的指標，象普通51單片機的開發系統大都采用高檔型號仿真低檔型號，其實時性不盡理想。PIC在推出一款新型號的同時推出相應的仿真芯片，所有的開發系統由專用的仿真芯片支持，實時性非常好。就我個人的經驗看，還沒有出現過仿真結果與實際運行結果不同的情況。

　　5）其引腳具有防瞬態能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便。

　　6）徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復熔絲的可能性極小。

　　7）自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。

　　8）睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TI－MSP430相比，但在大多數應用場合還是能滿足需要的。

　　MSP430

　　MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點。

　　強大的處理能力MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

　　在運算速度方面，MSP430系列單片機能在8MHz晶體的驅動下，實現125ns的指令周期。16位的數據寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。

　　MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6us。

　　超低功耗MSP430單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。

　　首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8~3.6V電壓。因而可使其在1MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200~400uA左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有0.1uA。

　　其次，獨特的時鐘系統設計。在MSP430系列中有兩個不同的系統時鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環（FLL和FLL+）時鐘系統或DCO數字振蕩器時鐘系統。有的使用一個晶體振蕩器（32768Hz），有的使用兩個晶體振蕩器）。

　　由于系統時鐘系統產生CPU和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。 由于系統運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節電方式下，最低可達0.1uA。

　　系統工作穩定。上電復位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時間。然后軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最后的系統時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啟動，以保證系統正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復位。

　　ARM

　　1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。

　　ARM公司是專門從事基于RISC技術芯片設計開發的公司，作為知識產權供應商，本身不直接從事芯片生產，靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的芯片，世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路，從而形成自己的ARM微處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權，因此既使得ARM技術獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個系統成本降低，使產品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。

　　ARM處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。

　　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，能很好的兼容8位/16位器件；

　　3、大量使用寄存器，指令執行速度更快；

　　4、大多數數據操作都在寄存器中完成；

　　5、尋址方式靈活簡單，執行效率高；

　　6、指令長度固定。

　　ARM商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴（Partners）。ARM是設計公司，本身不生產芯片。采用轉讓許可證制度，由合作伙伴生產芯片。

　　ARM不是單片機，準確來講ARM是一種處理器的IP 核。英國ARM公司開發出處理器結構后向其他芯片廠商授權制造，芯片廠商可以根據自己的需要進行結構與功能的調整，因此實際中使用的ARM處理器有很多種類，主要有三星、飛利浦、ATMEL、INTEL制造的幾大類，功能與使用上均不相同。ARM處理器核還可以嵌入其他專用芯片中作為中央處理單元使用，例如飛利浦的MP3解碼芯片就是采用ARM7核心的。ARM系列處理器很少集成片上硬件資源，更接近今天的處理器范疇，基本不被認為是單片機。

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