AVR、51 系列、PIC 单片机的对比

            AVR、51 系列、PIC 单片机的对比
  

1、51  系列单片机的优缺点分析。

   51  系列是应用最广泛的单片机， 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。

   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OOH～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，只需一条指令即可。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。

   51  系列的 I/O  脚的设置和使用非常简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故
其他  系列的单片机(如 PIC  系列、AVR  系列等)对 I/O  口进行了改进，增加了方向寄存器以
确定输  入或输出，但使用也变得复杂。

   同时， 原 51  系列也有许多值得改进之处， 如运行速度过慢等。 当晶振频率为 12MHz  时，
机器周期达1μs， 显然适应不了现代高速运行的需要。 华邦公司(Winbond)生产的产品型  号
为 W77  系列和 W78  系列，W78  系列与 AT89C  系列完全兼容。W77  系列为增强型，对原
有的8051  的时序作了改进，每个机器周期从12  个时钟周期改为4  个周期，使速度提高了
三  倍，同时，晶振频率最高可达40MHz。W77  系列还增加了看门狗WatchDog、两组 uART、  
两组DVTR  数据指针、ISP  等多种功能。

   2、PIC  单片机的优缺点分析。

   PIC  单片机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
Haryard  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，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，  低电平吸人电流达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功能。

   该系列单片机的专用寄存器)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(Bankl：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(RPl)和第 5  位
(RPO)置位或清零。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 5l  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： MOV30H，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。

   综合来说PIC  单片机应该说有三个主要特点：

   (1)总线结构:MCS-51  单片机的总线结构是冯-诺依曼型,计算机在同一个存储空间取指
令和数据,两者不能同时进行;而 PIC  单片机的总线结构是哈佛结构,指令和数据空间是完全
分开的,一个用于指令,一个用于数据,由于可以对程序和数据同时进行访问,所以提高了数据
吞吐率。 正因为在 PIC  单片机中采用了哈佛双总线结构， 所以与常见的微控制器不同的一  点
是：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是 8  位的，但指令总线位数分别位
12、14、16  位。
   (2)流水线结构:MCS-51  单片机的取指和执行采用单指令流水线结构,即取一条指令,执行
完后再取下一条指令;而 PIC  的取指和执行采用双指令流水线结构,当一条指令被执行时,允
许下一条指令同时被取出,这样就实现了单周期指令。
   (3)寄存器组:PIC  单片机的所有寄存器,包括 I/O  口,定时器和程序计数器等都采用 RAM
结构形式,而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作;而 MCS-51  单片机需要两个或
两个以上的周期才能改变寄存器的内容。

   3、AVR  单片优缺点分析。

   AVR  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。 通用寄存器一共 32  个  (RO-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5l  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5l  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。

   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(AT90S23131)
和＄0060～＄025F(AT90S85l5、 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  一  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。  综
合来看，AVR  与 51、PIC  单片机相比具有一系列的优点，用通俗的说法主要体现在  这几个方面：

   （1）、在相同的系统时钟下 AVR  运行速度最快；
   （2）、所有 AVR  单片机的 FLASH、EEPROM  蓄存器都可以反复烧写、支持在 ISP  在线
编程(烧写)，入门费用非常少；
   （3）、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，使
得电路设计变得非常简单；
   （4）、每个 IO  口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时 IO  口可以是高阻
抗或者带上拉电阻；
  （5）、 片内具有丰富实用的资源， 如AD  模数器、 DA  数模器， 丰富的中断源、 SPI、 USART、
TWI  通信口、PWM  等等；
   （6）、片内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度；
   （7）、片内FLASH  空间大、品种多，引脚少的有8  脚，多的有64  脚等各种封装
   （8）、部分芯片的引脚兼容 51  系列，代换容易，如 ATtiny2313  兼容 AT89C2051，
ATmega8515/162  兼容AT89S51  等

   四、单片机的选择。

   各种单片机都有各自的优缺点，应根据需要选择。选择单片机原则如下：

   1.  单片机的基本参数例如速度，程序存储器容量，I/O  引脚数量
   2.  单片机的增强功能，例如看门狗，双指针，双串口，RTC（实时时钟），EEPROM，扩
展 RAM，CAN  接口，I2C  接口，SPI  接口，USB  接口。
   3. Flash  和OTP（一次性可编程）相比较，最好是Flash。
   4.  封装  IP（双列直插），PLCC（PLCC  有对应插座）还是贴片。DIP  封装在做实验时可
能方便一点。
   5.  工作温度范围，工业级还是商业机。如果设计户外产品，必须选用工业级。
   6.  功耗，比如设计并口加密狗，信号线取电只能提供几个 mA,用PIC  就是因为低功耗，
后来出了MSP430  也不错。
   7.  工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2  节干电池供电，至少应该能在 1.8-3.6V
电压范围内工作。
   8.  供货渠道畅通。能申请样片，小批量购买有现货。最好像标准 51，中发里随便找个
柜台就能买到（我在北京）
   9.  价格低。
   10.  有服务商，像周立功公司推 Philips，双龙公司推AVR，都提供了很多有用的技术支
持，起码烧写器有地方买。
   11.  烧录器价格低，如果是ICP（把单片机放在烧录器上编程）能否利用现有的烧录器，
如果是表贴封装，买一个转接座也很贵，至少得一二百元。能否 ISP（在系统编程，即把芯
片先焊到板子上再通过预留的 ISP  接口编程），一般 ISP  编程器比较便宜大约一二百元甚至
几十元。
   12.  仿真器便宜。对于 FLASH  型单片机，仿真器不是必备的。但是对于OTP（一次性可
编程）型单片机，必须购买或者租用仿真器。
   13.  单片机汇编语言是自己熟悉的，并且能支持 C  语言。编程环境要像keil  一样好用，
并且还是免费的。    14.  网站速度快，资料丰富。包括芯片手册，应用指南，设计方案，范例程序。最好有
中文，像Atmel  就不错。
   15.  保密性能好，查一下专业解密网站上的黑名单，再发个 mail  咨询一下解密价格。
   16.  抗干扰性能好。我曾经把XXC52  改为S52  后发现抗干扰性能下降，只好改回去。
   17.  和其他外设芯片放在一起的综合考虑。