51、AVR、PIC、MSP430、ARM五大单片机对比与详解

51、AVR、PIC、MSP430、ARM五大单片机全解析8051单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。AVR和PIC都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051，他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。ARM实际上就是32位的单片机，它的内部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。常用于手机、路由器等等。DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。它是专门用来计算数字信号的。在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。比如说一般32位的DSP能在一个指令周期内运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。应用于某些对实时处理要求较高的场合。AVR高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高，一直是衡量单片机性能的重要、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观（51以及51兼容）。此间虽有某些精简指令集单片机（RISC）问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。总结起来，AVR有以下几个特点●哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；●超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；●快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；●作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；●片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；●大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，AnalogComparator，WDT等；●大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序AVR系列单片机的选型AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。AVR单片机有3个档次：低档Tiny系列AVR单片机：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中档AT90S系列AVR单片机：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；（正在淘汰或转型到Mega中）高档ATmega系列AVR单片机：主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。PICPIC到底有什么优势？也许你也会有这样的疑问，所以我在这里略谈几点自己的看法。1）PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机。该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在3－6元人人民币。这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。2）精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。3）产品上市零等待（Zerotimetomarket）。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。4）PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。5）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。6）彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。7）自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。8）睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI－MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。MSP430MSP430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125ns。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）。由于系统时钟系统产生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。ARM1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；4、大多数数据操作都在寄存器中完成；5、寻址方式灵活简单，执行效率高；6、指令长度固定。ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴（Partners）。ARM是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。ARM不是单片机，准确来讲ARM是一种处理器的IP核。英国ARM公司开发出处理器结构后向其他芯片厂商授权制造，芯片厂商可以根据自己的需要进行结构与功能的调整，因此实际中使用的ARM处理器有很多种类，主要有三星、飞利浦、ATMEL、INTEL制造的几大类，功能与使用上均不相同。ARM处理器核还可以嵌入其他专用芯片中作为中央处理单元使用，例如飞利浦的MP3解码芯片就是采用ARM7核心的。ARM系列处理器很少集成片上硬件资源，更接近今天的处理器范畴。