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常见单片机的性能比较

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    常见单片机及其性能比较

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    MCS51、C8051F、AVR、PIC、MSP430 单片机性能比较 引言: 单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处 理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等 功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 八位单片机由于内部构造简单,体积小,成本低廉,在一些较简单的控制器中应用很广。即 便到了本世纪,在单片机应用中,仍占有相当的份额。由于八位单片机种类繁多,本文仅将 常用的几种在性能上作一个简单的比较。 正文: 一、 MCS51 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 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。有人推测,51 芯片可 能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。 MCS-51 系列单片机主要包括 8031、8051 和 8751 等通用产品,其主要功能如下: ?8 位 CPU ?4kbytes 程序存储器(ROM) ?128bytes 的数据存储器(RAM) ?32 条 I/O 口线 ?111 条指令,大部分为单字节指令 ?21 个专用寄存器 ?2 个可编程定时/计数器 ?5 个中断源,2 个优先级 ?一个全双工串行通信口 ?外部数据存储器寻址空间为 64kB ?外部程序存储器寻址空间为 64kB ?逻辑操作位寻址功能 ?双列直插 40PinDIP 封装 ?单一+5V 电源供电 MCS-51 以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理,众多的逻辑位操作功能 及面向控制的丰富的指令系统,堪称为一代“名机”,为以后的其它单片机的发展奠定了基 础。正因为其优越的性能和完善的结构,导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构, 有许多世界大的电气商丰富和发展了 MCS-51 单片机,象 PHILIPS、Dallas、ATMEL 等著名 的半导体公司都推出了兼容 MCS-51 的单片机产品,就连我国的台湾 WINBOND 公司也发 展了兼容 C51(人们习惯将 MCS-51 简称 C51,如果没有特别声明,二者同指 MCS-51 系列单 片机)的单片机品种。 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 00H~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 一条指令就行了,即 MULAB(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法功能,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-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。51 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。 有许多值得改进之处,如运行速度过慢等。特别是双数据指针,能给编程带来很大的便利。 二、C8051 F 具有上手快(全兼容 8051 指令集)、研发快(开发工具易用,可缩短研发周期)和见效快(调试 手段灵活)的特点,其性能优势具体体现在以下方面: 基于增强的 CIP-51 内核,其指令集与 MCS-51 完全兼容,具有标准 8051 的组织架构, 可以使用标准的 803x/805x 汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 采用流水线结构,70%的 的指令执行时间为 1 或 2 个系统时钟周期,是标准 8051 指令执行速度的 12 倍;其峰值执行 速度可达 100MIPS(C8051F120 等),是目前世界上速度最快的 8 位单片机。 增加了中断源。标准的 8051 只有 7 个中断源 Silicon Labs 公司 C8051F 系列单片机扩 展了中断处理这对于时实多任务系统的处理是很重要的扩展的中断系统向 CIP-51 提供 22 个 中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处理需要较少的 CPU 干预却有更高的执行 效率。 集成了丰富的模拟资源,绝大部分的 C8051F 系列单片机都集成了单个或两个 ADC, 在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换;片内 ADC 的采样精度最高可 达 24bit,采样速率最高可达 500ksps,部分型号还集成了单个或两个独立的高分辨率 DAC, 可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口;片内温度传感器则 可以迅速而精确的监测环境温度并通过程序作出相应处理,提高了系统运行的可靠性。 集成了丰富的外部设备接口。具有两路 UART 和最多可达 5 个定时器及 6 个 PCA 模块, 此外还根据不同的需要集成了 SMBus、SPI、USB、CAN、LIN 等接口,以及 RTC 部件。 外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。与其他类型的单片机实现相同的功能需 要多个芯片的组合才能完成相比,C8051 单片机不仅减少了系统成本,更大大降低了功耗。 增强了在信号处理方面的性能,部分型号具有 16x16 MAC 以及 DMA 功能,可对所采 集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送能力。 具有独立的片内时钟源(精度最高可达 0.5%),设计人员既可选择外接时钟,也可直接应 用片内时钟,同时可以在内外时钟源之间自如切换。片内时钟源降低了系统设计的复杂度, 提高了系统可靠性,而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。 提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗 实现了 I/O 从固定方式到交叉开关配置。固定方式的 I/O 端口,既占用引脚多,配置又 不够灵活。在 C8051F 中,则采用开关网络以硬件方式实现 I/O 端口的灵活配置,外设电路 单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 复位方式多样化,C8051F 把 80C51 单一的外部复位发展成多源复位,提供了上电复位、 掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器 0 复位、WDT 复位和引脚配 置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好 处。 从传统的仿真调试到基于 JTAG 接口的在系统调试。C8051F 在 8 位单片机中率先配置 了标准的 JTAG 接口(IEEE1149.1)。C8051F 的 JTAG 接口不仅支持 Flash ROM 的读/写操 作及非侵入式在系统调试,它的 JTAG 逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄 存器的编程控制,可对所有器件引脚、SFR 总线和 I/O 口弱上拉功能实现观察和控制。 C8051F 系列单片机型号齐全,可根据设计需求选择不同规模和带有特定外设接口的型号, 提供从多达 100 个引脚的高性能单片机到最小 3mmX3mm 的封装,满足不同设计的需要。 三.AVR 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:AT90S2313 (简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带 A/D 转换)。 通用寄存器一共 32 个(R0~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 51 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 51 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: LDRd, X ;将 X 所指的地址的内容装入寄存器 Rd 中。 LDRd,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。 LDRd,-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(AT90S2313) 和 0060~ 025F(AT90S8515、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~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 51 系列的 AT89C51 兼容(PDIP-40 脚)等等。 四.PIC 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 Harvard 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 PIC16F873(A)、 PIC16F877 (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(PIC16F873(A)为 28 脚的 PDIP 或 SOIC 封装; PIC16F877(A)为 40 脚的 PDIP 或 44 脚的 PLCC/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,低电平吸入电流达 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(Bank1 :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(RP1)和第 5 位(RP0)置位或清零。如: 例 4: CLRFSTATUS ;清零 RP1, RP0。选择存储体 0 …… BSF STATUS,RP0;置位 RP0。选择存储体 1 …… BCF STATUS,RP0;清零 RP0。选择存储体 0 …… 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 51 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: MOV 30H,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。 五.MSP430 MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗的混合 信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器,主要是由于其针对实际应用 需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案。 MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大,主要取决于以下的特点。 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机,采用了精简指令集 (RISC)结构,具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址)、简洁 的 27 条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运 算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面, MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下,实现 125ns 的指 令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加) 相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如 FFT 等)。 MSP430 系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。当系统处于 省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒只用 6us 。 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵 活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先, MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8~3.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时, 芯片的电流会在 200~400uA 左右,时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。 其次,独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统:基本时 钟系统和锁频环( FLL 和 FLL+ )时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一 个晶体振荡器( 32768Hz ) , 有的使用两个晶体振荡器)。由系统时钟系统产生 CPU 和 各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗 的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的 不同。在系统中共有一种活动模式( AM )和五种低功耗模式( LPM0~LPM4 )。在等待 方式下,耗电为 0.7uA ,在节电方式下,最低可达 0.1uA 。 系统工作稳定。上电复位后,首先由 DCOCLK 启动 CPU ,以保证程序从正确的位 置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控 制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障, DCO 会自动启动,以保证系统正常工作;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们 分别是看门狗( WDT )、模拟比较器 A 、定时器 A( Timer_A )、定时器 B( Timer_B )、 串口 0 、1( USART0 、1 )、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、16 位 Sigma-Delta AD、直接寻址模块( DMA )、端口 O ( P0 )、端口 1~6 ( P1~P6 )、基 本定时器( Basic Timer )等的一些外围模块的不同组合。其中,看门狗可以使程序失控时 迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出 A/D 转换器; 16 位 定时器( Timer_A 和 Timer_B )具有捕获 / 比较功能,大量的捕获 / 比较寄存器,可用 于事件计数、时序发生、 PWM 等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通 信接口可方便的实现多机通信等应用;具有较多的 I/O 端口,最多达 6*8 条 I/O 口线; P0 、 P1 、 P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入; 12/14 位硬件 A/D 转换 器有较高的转换速率,最高可达 200kbps ,能够满足大多数数据采集应用;能直接驱动液 晶多达 160 段;实现两路的 12 位 D/A 转换;硬件 IIC 串行总线接口实现存储器串行扩展; 以及为了增加数据传输速度,而采用直接数据传输( DMA )模块。 MSP430 系列单片机 的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类 型的器件,这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发 成功之后在烧写或掩膜芯片;对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片 内有 JTAG 调试接口,还有可电擦写的 FLASH 存储器,因此采用先下载程序到 FLASH 内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用 的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器,而不需要仿真器和编 程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。 MSP430 单片机目前主要以 FLASH 型为主。 适应工业级运行环境 MSP430 系列器件均为工业级的,运行环境温度为 -40~+ 85 摄氏 度 ,所设计的产品适合用于工业环境下。 六、MSP430 与 89C51 系列的比较 首先,89C51 单片机是 8 位单片机。其指令是采用的被称为“ CISC ”的复杂指令集, 共具有 111 条指令。而 MSP430 单片机是 16 位的单片机,采用了精简指令集( RISC ) 结构,只有简洁的 27 条指令,大量的指令则是模拟指令,众多的寄存器以及片内数据存储 器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令,功能强,运行的速度快。 其次,89C51 单片机本身的电源电压是 5 伏,有两种低功耗方式:待机方式和掉电方 式。正常情况下消耗的电流为 24mA ,在待机状态下,其耗电电流仍为 3mA ;即使在掉 电方式下,电源电压可以下降到 2V ,但是为了保存内部 RAM 中的数据,还需要提供约 50uA 的电流。而 MSP430 系列单片机在低功耗方面的优越之处,则是 89C51 系列不可比 拟的。正因为如此, MSP430 更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。 再者,89C51 系列单片机由于其内部总线是 8 位的,其内部功能模块基本上都是 8 位 的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加,但是受其结构本身的限制很大,尤其模 拟功能部件的增加更显困难。 MSP430 系列其基本架构是 16 位的,同时在其内部的数据总 线经过转换还存在 8 位的总线,在加上本身就是混合型的结构,因而对它这样的开放型的 架构来说,无论扩展 8 位的功能模块,还是 16 位的功能模块,即使扩展模 / 数转换或数 / 模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么 MSP430 系列产品和其中功能部件 迅速增加的原因。 最后,就是在开发工具上面。对于 89C51 来说,由于它是最早进入中国的单片机,人 们对它在熟悉不过了,再加上我国各方人士的努力,创造了不少适合我们使用的开发工具。 但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于 MSP430 系列而言,由于引进了 Flash 型程序存储器和 JTAG 技术,不仅使开发工具变得简便,而且价格也相对低廉,并且还可 以实现在线编程。

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