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(cháng)，但相對于世界市場(chǎng)我國的占有率還不到1%。這說(shuō)明單片機應用在我國才剛剛起步，有著(zhù)廣闊的前景。培養單片機應用人才，特別是在工程技術(shù)人員中普及單片機知識有著(zhù)重要的現實(shí)意義。

　　當今單片機廠(chǎng)商琳瑯滿(mǎn)目，產(chǎn)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(lái)弄清兩個(gè)概念：集中指令集（CISC）和精簡(jiǎn)指令集（RISC）。采用CISC結構的單片機數據線(xiàn)和指令線(xiàn)分時(shí)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(shí)進(jìn)行，速度受限，價(jià)格亦高。采用RISC結構的單片機數據線(xiàn)和指令線(xiàn)分離，即所謂哈佛結構。這使得取指令和取數據可同時(shí)進(jìn)行，且由于一般指令線(xiàn)寬于數據線(xiàn)，使其指令較同類(lèi)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(shí)，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(shí)現超小型化。

　　8051

　　單片微型計算機簡(jiǎn)稱(chēng)為單片機，又稱(chēng)為微型控制器，是微型計算機的一個(gè)重要分支。單片機是70年代中期發(fā)展起來(lái)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(lái)，單片機發(fā)展迅速，各類(lèi)新產(chǎn)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(chǎng)自動(dòng)化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)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(shí)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(shí)也是一種特殊的單片機，它從8位到32位的都有。它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)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(shuō)一般32位的DSP能在一個(gè)指令周期內運算完一個(gè)32位數乘32位數積再加一個(gè)32位數。應用于某些對實(shí)時(shí)處理要求較高的場(chǎng)合。

　　AVR

　　高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價(jià)位指標，也是單片機占領(lǐng)市場(chǎng)、賴(lài)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(shí)鐘分頻，使得指令周期長(cháng)，執行速度慢以后的CMOS單片機雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數等措施，但這種狀態(tài)并。未被徹底改觀(guān)（51以及51兼容）。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機（RISC）問(wèn)世，但依然沿襲對時(shí)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(jiǎn)指令集，以字作為指令長(cháng)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(shí)現流水作業(yè)，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(gè)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(shí)又減少了對外設管理的開(kāi)銷(xiāo)，相對簡(jiǎn)化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟/硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性?xún)r(jià)比的單片機。

　　總結起來(lái)，AVR有以下幾個(gè)特點(diǎn)

　　●哈佛結構，具備1MIPS/MHz的高速運行處理能力；

　　●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；

　　●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，特別適用于使用高級語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)；

　　●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(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；

　　●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(xiāo)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(chǎng)合的要求。AVR單片機有3個(gè)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(yōu)勢？也許你也會(huì )有這樣的疑問(wèn)，所以我在這里略談幾點(diǎn)自己的看法。

　　1）PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號來(lái)滿(mǎn)足不同層次的應用要求。就實(shí)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(gè)摩托車(chē)的點(diǎn)火器需要一個(gè)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(shuō)，使用起來(lái)也不方便。PIC系列從低到高有幾十個(gè)型號，可以滿(mǎn)足各種需要。其中，PIC12C508單片機僅有8個(gè)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(gè)8位定時(shí)器、一根輸入線(xiàn)、5根I/O線(xiàn)，市面售價(jià)在3－6元人人民幣。這樣一款單片機在象摩托車(chē)點(diǎn)火器這樣的應用無(wú)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(gè)引腳，其內部資源為ROM共4K、192字節RAM、8路A/D、3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)CCP模塊、三個(gè)串行口、1個(gè)并行口、11個(gè)中斷源、33個(gè)I/O腳。這樣一個(gè)型號可以和其它品牌的高檔型號媲美。

　　2）精簡(jiǎn)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(xiàn)和指令總線(xiàn)分離的哈佛總線(xiàn)（Harvard）結構，使指令具有單字長(cháng)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(chǎn)品上市零等待（Zerotimetomarket）。采用PIC的低價(jià)OTP型芯片，可使單片機在其應用程序開(kāi)發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市。

　　4）PIC有優(yōu)越開(kāi)發(fā)環(huán)境。OTP單片機開(kāi)發(fā)系統的實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的指標，象普通51單片機的開(kāi)發(fā)系統大都采用高檔型號仿真低檔型號，其實(shí)時(shí)性不盡理想。PIC在推出一款新型號的同時(shí)推出相應的仿真芯片，所有的開(kāi)發(fā)系統由專(zhuān)用的仿真芯片支持，實(shí)時(shí)性非常好。就我個(gè)人的經(jīng)驗看，還沒(méi)有出現過(guò)仿真結果與實(shí)際運行結果不同的情況。

　　5）其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過(guò)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(wú)須光電耦合器隔離，給應用帶來(lái)極大方便。

　　6）徹底的保密性。PIC以保密熔絲來(lái)保護代碼，用戶(hù)在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無(wú)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(mén)狗定時(shí)器，可以用來(lái)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(chǎng)合還是能滿(mǎn)足需要的。

　　MSP430

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

　　強大的處理能力MSP430系列單片機是一個(gè)16位的單片機，采用了精簡(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)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(dòng)下，實(shí)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(shí)現乘加）相配合，能實(shí)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(shí)靈活方便。當系統處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，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(shí)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(shí)鐘條件下運行時(shí)，芯片的電流會(huì )在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。

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

　　由于系統時(shí)鐘系統產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現對總體功耗的控制。 由于系統運行時(shí)打開(kāi)的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著(zhù)顯著(zhù)的不同。在系統中共有一種活動(dòng)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(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時(shí)間。然后軟件可設置適當的寄存器的控制位來(lái)確定最后的系統時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統正常工作；如果程序跑飛，可用看門(mén)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(shù)的授權。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權（IP）核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于A(yíng)RM技術(shù)的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。

　　ARM公司是專(zhuān)門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設計開(kāi)發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權供應商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉讓設計許可由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片，世界各大半導體生產(chǎn)商從ARM公司購買(mǎi)其設計的ARM微處理器核，根據各自不同的應用領(lǐng)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(jìn)入市場(chǎng)。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(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使整個(gè)系統成本降低，使產(chǎn)品更容易進(jìn)入市場(chǎng)被消費者所接受，更具有競爭力。

　　ARM處理器的三大特點(diǎn)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(jiǎn)單，執行效率高；

　　6、指令長(cháng)度固定。

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

　　ARM不是單片機，準確來(lái)講ARM是一種處理器的IP 核。英國ARM公司開(kāi)發(fā)出處理器結構后向其他芯片廠(chǎng)商授權制造，芯片廠(chǎng)商可以根據自己的需要進(jìn)行結構與功能的調整，因此實(shí)際中使用的ARM處理器有很多種類(lèi)，主要有三星、飛利浦、ATMEL、INTEL制造的幾大類(lèi)，功能與使用上均不相同。ARM處理器核還可以嵌入其他專(zhuān)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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