AVR,C51和PIC單片機比較

　　八位單片機由于內部構造簡單，體積小，成本低廉，在一些較簡單的控制器中應用很廣。即便到了本世紀，在單片機應用中，仍占有相當的份額。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

　　應用最廣泛的八位單片機首推Intel的51系列，由于產品硬件結構合理，指令系統規范，加之生產歷史“悠久”，有先入為主的優勢。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，并在其基礎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系列優點之一是它從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節而是位。它不光能對片內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RAM區間還特別開辟了一個雙重功能的地址區間，十六個字節，單元地址20H～2FH，它既可作字節處理，也可作位處理(作位處理時，合128個位，相應位地址為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，如系列單片機中，若想對RAM中的某位置位時，必須通過狀態寄存器SREG的T位進行中轉。

　　例2：如對RAM中的R0寄存器的第4位置位，則

　　BSET6 ;狀態寄存器T置位

　　BLD R0, 4 ;將T位復制到R0的第4位

　　顯然，后者比前者要復雜。

　　51系列的另一個優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(兩個乘數分別在累加器A和寄存器B中。積的低位字節在累加器A中，高位字節在寄存器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用，十分不便。

　　在51系列中，還有一條二進制-十進制調整指令 DA，能將二進制變為BCD碼，這對于十進制的計量十分方便。而在其他的單片機中，則也需調用專用的子程序才行。

　　Intel公司51系列的典型產品是8051，片內有4K字節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，這給編程和調試帶來極大的便利，其產品AT89、AT89C52 ……等成為了當今最流行的八位單片機。

　　51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平(復位時，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，具有一定的驅動能力;而為高電平時，輸出電流僅數十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，欲進行高電平驅動時，得利用外電路來實現(見附圖)，I/O腳不通，電流經R驅動LED發光;低電平時，I/O腳導通，電流由該腳入地，LED滅(I/O腳導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，但使用也變得復雜。

　　一些簡裝的51產品也相應出現，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等(閃速存儲器分別為1K、2K、4K等，但不能外接數據存儲器)，指令系統與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，顯然適應不了現代高速運行的需要。華邦公司(Winbond)生產的產品型號為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數據指針、ISP等多種功能。

　　特別是雙數據指針，能給編程帶來很大的便利。在51系列中，數據指針DPTR是片內與片外的數據存儲器打交道的主要途徑(由片外數據存儲器讀入片內累加器A或由片內累加器A 寫入片外數據存儲器)，也是程序存儲器與累加器A之間的數據傳送的必由之路。由于頻繁的數據交換，特別是數據塊的搬運和比較，數據指針非常吃緊，它需要不斷地實施現場保護與還原，不光編程變得復雜，而且運行速度也減慢。而當采用兩個數據指針時，可以各負其責，互不相擾，輕松地完成上述過程。兩個數據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，選中數據指針DPTR0(復位時DPS也為0);DPS為1時，選中數據指針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變為1或由1變為0，從而達到雙數據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功能能實現在系統可編程，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好的產品上取下。未定型的程序還可以邊生產邊完善，加快了產品的開發速度，減少了新產品因軟件缺陷帶來的風險。由于可以將程序下載并觀看運行結果，故也可以不用仿真器。

　　單片機的提速運行、雙數據指針及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轉換、片內EEPROM數據存儲器、PWM輸出、I2C總線、上電復位檢測、欠壓復位檢測等等，這些新系列的單片機，它們都兼容8051的指令系統。增強功能的實現，大都是由片內新增的特殊功能寄存器來進行設置，這些寄存器被安排在片內特殊功能寄存器區間(80～FFH)的預留地址上。

　　比較有代表性的產品還有STC89C51RC、C8051F331/330等等?？梢赃@么說，新的51產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，讀者可根據使用的需求查閱相關的資料.

　　2.PIC系列

　　系列是美國微芯公司(Microship)的產品，是當前市場份額增長最快的單片機之一。CPU采用RISC結構，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，都比前者復雜。采用Harvard雙總線結構，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據存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結構，在一個周期內完成兩部分工作，一是執行指令，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腳增加了用于設置輸入或輸出狀態的方向寄存器(TRISn , 其中n對應各口，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。當置位1時為輸入狀態，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態;置位0時為輸出狀態，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態，有相當的驅動能力，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，這是一個很大的優點，它可以直接驅動數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間內(80～FFH)，而是分散在四個地址區間內，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個存儲體內同時出現。在編程過程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復地選擇對應的存儲體，也即對狀態寄存器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區間(00～7FH)。

　　數據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的內容直接傳送至寄存器30H中)，因而PIC單片機的瓶頸現象比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。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打交道，顯然要優于前者。

　　AVR系列沒有類似累加器A的結構，它主要是通過R16～R31寄存器來實現A的功能。在AVR中，沒有像51系列的數據指針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據指針的功能(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所指的地址的內容裝入寄存器Rd中。

　　LDRd,Y+;將Y所指的地址的內容裝入寄存器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RAM的地址區間為0060～$00DF(AT90S2313) 和 0060～025F(AT90S8515、AT90S8535)，它們占用的是數據空間的地址，這些片內RAM僅僅是用來存儲數據的，通常不具備通用寄存器的功能。當程序復雜時，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