ARM+DSP、AVR與C51的比較

摘要：ARM+DSP與AVR作為現代CPU設計范例，從現代眼光來(lái)看，都是非常先進(jìn)的設計。最重要的是吸取了C51體系所顯露出來(lái)的問(wèn)題，在原有系列的基礎上，擁有高性能、高速度，甚至是更低的功耗。
關(guān)鍵詞：ARM、AVR、DSP、C51、單片機比較分析

單片機已經(jīng)廣泛運用于工業(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、機電一體化設備等領(lǐng)域，使得各類(lèi)產(chǎn)品無(wú)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)，設計的電路很簡(jiǎn)單、可靠性非常高、發(fā)生的故障次數較低、成本低廉等。單片機種類(lèi)很多，本論文只針對ARM+DSP、
AVR和C51單片機的特點(diǎn)，從不同的側面進(jìn)行了比較和闡述。

1 單片機的介紹
單片微型計算機(Single-Chip Micmprocessor)是微型計算機(Microcomputer，簡(jiǎn)稱(chēng)微機)的一個(gè)重要分支。單片微型計算機簡(jiǎn)稱(chēng)單片機，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因此又稱(chēng)為微控制器(Microcontroller)。它的體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，為學(xué)習，應用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。單片機作為控制部分的核心部件，廣泛運用于汽車(chē)、紅外監控設備、各種電子玩具、各類(lèi)報警裝置、各類(lèi)軍工、航空航天產(chǎn)品等等。

2 ARM+DSP的優(yōu)點(diǎn)
2．1 ARM單片機的優(yōu)點(diǎn)與ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)
2．2．1采用RISC架構的ARM單片機的優(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(jiǎn)單，執行效率高；(6)指令長(cháng)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)，設計了大量高性能、價(jià)格低、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構是面向低預算市場(chǎng)設計的第一款RISC微處理器，是32位單片機的行業(yè)標準，它提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案，四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠(chǎng)商根據不同用戶(hù)的要求來(lái)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)品中運行。目前ARM在手持設備市場(chǎng)占有90％以上的份額，可以有效地縮短應用程序開(kāi)發(fā)與測試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費用。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(xiàn)和發(fā)展規劃。
2．2 DSP的優(yōu)點(diǎn)
DSP(digital singnal processor)是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。DSP芯片，也稱(chēng)數字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現各種數字信號處理算法。
DSP的優(yōu)點(diǎn)是可程控，修改方便，穩定性好，可重復性好，抗干擾性能好，0／1電平之間的容限大，實(shí)現自適應算法，系統特性隨輸入信號的改變而改變，功耗小，系統開(kāi)發(fā)快，價(jià)格低。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有以下特點(diǎn)：(1)在一個(gè)指令周期內完成一次乘法以及一次加法；(2)程序和數據空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)指令和數據；(3)片內具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨立的數據總線(xiàn)在兩塊中同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)；(4)具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉的硬件支持；(5)快速的中斷處理和硬件I／O支持；(6)具有在單周期內操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；(7)可以并行執行多個(gè)操作；(8)支持流水線(xiàn)操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。當然，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(jiǎn)指令集的高速8位單片機，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR。與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點(diǎn)是：(1)哈佛結構，具備1MIPS／ MHz的高速運行處理能力；(2)超功能精簡(jiǎn)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象；(3)快速的存取寄存器組、單周期指令系統，大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執行效率，部分型號FLASH非常大，特別適應于使用高級語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)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)片內集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復位、看門(mén)狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統更加穩定可靠；(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(xiāo)毀。
AVR的優(yōu)點(diǎn)是：(1)簡(jiǎn)便易學(xué)，費用低廉；(2)高速、低耗、保密；(3)L／O口功能強，具有A／D轉換等電路；(4)有功能強大的定時(shí)器／計算器及通訊接口。

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

5 C51與ARM+DSP的比較
作為處理器，C51、ARM、DSP都不是單獨作為芯片來(lái)提供給用戶(hù)的，都要加一些外圍電路來(lái)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(lái)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)從運算能力上看，C51最弱，DSP最強，ARM居中；(3)結構差別較大，C51最簡(jiǎn)單，是一般的馮諾伊曼結構，ARM9以上的是哈佛結構的RISC，DSP一般使用哈佛結構；(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)C51一般主要應用于不需要太多計算量的控制類(lèi)系統。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應用于需要進(jìn)行復雜計算的高端系統，例如圖像處理，加密、解密，導航系統等，外圍module一般較少。ARM是C51和DSP之間的一個(gè)折衷；(6)C51的性能遠不如ARM和DSP，但仍然占據重要的一席之地，原因就是性能價(jià)格比。因為它太成熟了，太小了，太便宜了。而在一些需要復雜計算的領(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(xiàn)和發(fā)展規劃：ARM核根據不同應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(xiàn)。前幾年應用較多的主要是基于V4架構的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用領(lǐng)域。M系列主要面向傳統微控制器(MCU／單片機)應用，這類(lèi)應用面很廣，要求處理器有豐富的外設，并且各方面比較均衡；R系列強調實(shí)時(shí)性，主要用于實(shí)時(shí)控制，如汽車(chē)引擎；A系列面向高性能、低功耗應用系統，如智能手機。選用ARM處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，技術(shù)積累性較強，生命周期長(cháng)，設計重用度高，不易被淘汰。用戶(hù)在選擇ARM處理器時(shí)，可以針對應用需求，從大量的ARM芯片中選用滿(mǎn)足性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性?xún)r(jià)比。

6 AVR和ARM的區別
(1)ARM是IP核，可供各大芯片商集成到各自的設計中；AVR這方面就差點(diǎn)，ATMEL一家別無(wú)選擇；(2)實(shí)際產(chǎn)品成本方面，AVR優(yōu)于A(yíng)RM，畢竟AVR是8位機，配什么外設都便宜，由于速度比ARM低，PCB版也好設計，20MHz的數字電路基本上只要通就行了，不用過(guò)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(méi)法與ARM相比，不過(guò)ARM帶來(lái)的問(wèn)題就多了，要4層PCB，而且ARM的外設也貴；(3)功能方面，ARM大大優(yōu)于A(yíng)VR，ARM可以做PDA，手機；AVR顯然不行。功能上的優(yōu)勢意味著(zhù)ARM比AVR有著(zhù)更廣的應用范圍；(4)外設方面AVR稍強，實(shí)際上我們可以看到Atmel公司的基于A(yíng)RM核的AT91M55800A包括了很多AVR的外設，但還缺TWI／I2C，可變增益ADC，EEPROM等好用的部件。但是，毫無(wú)疑問(wèn)，ARM的外擴外設能力比AVR強的多，所以外設方面兩者差不多。操作系統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也不是沒(méi)有，Uc／OS-Ⅱ就不錯；(5)調試手段方面，ARM應該優(yōu)于A(yíng)VR，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(shū)上有相當多的方法調試。

7 AVR與C51的區別
(1)速度快AVR是精簡(jiǎn)指令集單片機，其開(kāi)關(guān)電源模塊速度可以達到1MIPS／s，理論上是傳統的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。片內含有看門(mén)狗電路、片內程序Flash、片內數據RAM、同步串行接口SPI、異步串口UART、內嵌AD轉換器、EEPROM、模擬比較器、PWM定時(shí)計數器、TWI(IIC)總線(xiàn)接口、硬件乘法器、獨立振蕩器的實(shí)時(shí)計算器RTC、片內標定的RC振蕩器等片內外設，可以滿(mǎn)足各種開(kāi)發(fā)需求；(3)驅動(dòng)能力強I／O可以直接驅動(dòng)數碼管、LED、繼電器等器件，節省很多外圍電路，既節省開(kāi)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，但也是單片機中佼佼者；(5)可選擇型號種類(lèi)多 各種不同的MTD2002型號可以滿(mǎn)足不同的需求，讓你的項目有很多的選擇余地；(6)性?xún)r(jià)比高在高性能的前提下，并沒(méi)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 結束語(yǔ)
目前DSP、AVR、ARM技術(shù)應用領(lǐng)域非常廣泛，對DSP、ARM、AVR問(wèn)題的關(guān)心仍是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢。同時(shí)，隨著(zhù)新的應用的不斷產(chǎn)生，新的嵌入式微處理器也層出不窮，可見(jiàn)ARM微處理器還有很大的發(fā)展空間。相信在未來(lái)幾年DSP+ARM及AVR技術(shù)的發(fā)展和應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DSP+ARM以及AVR單片機將會(huì )很有前途。