C51、PIC、AVR八位单片机性能比较

　　结构体系的差异：

　　C51体系结构都是采用的冯诺依曼结构体系架构，将程序存储空间和数据存储空间统一编址，因此不能实现多级流水类别的处理功能；但是PIC、AVR体系结构是采用的哈佛结构，将程序存储空间和数据存储空间分开编址，能够预取指令，实现多级流水，这样能显著提高芯片的处理能力。

 

　　指令集差异：

　　C51体系采用的是INTEL传统的复杂指令集技术；AVR体系采用的是RSIC指令集技术。

 

1. 51系列

　　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。
　　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。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。 

 

　　例1：如对21H的第0位（相应位地址为08H）置位，只需用一条位指令，

　　 SETB　　　　08H

　　对周围的其他位不会产生影响。

　　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。

　　Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器（OTP）。 Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器（Flash），容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品AT89C51、 AT89C52 ……等成为了当今最流行的八位单片机。

　　51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时， I/O脚导通，电流由该脚入地，LED灭（I/O脚导通时对地的电压降小于1V，LED的域值1.5～1.8V）。

　　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。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。
 　　一些简装的51产品也相应出现，如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、 AT89C4051等（闪速存储器分别为1K、2K、4K等，但不能外接数据存储器），指令系统与AT89C51完全兼容，但引脚均为20脚，不光体积小，而且价格低廉，这使得其他的公司竞相仿照。
　　不过，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DPTR数据指针、ISP等多种功能。
　　特别是双数据指针，能给编程带来很大的便利。在51系列中，数据指针DPTR是片内与片外的数据存储器打交道的主要途径(由片外数据存储器读入片内累加器A或由片内累加器A 写入片外数据存储器)，也是程序存储器与累加器A之间的数据传送的必由之路。由于频繁的数据交换，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，不光编程变得复杂，而且运行速度也减慢。而当采用两个数据指针时，可以各负其责，互不相扰，轻松地完成上述过程。两个数据指针的选取取决于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。当DPS为0时，选中数据指针DPTR0（复位时DPS也为0）；DPS为1时，选中数据指针 DPTR1。DPS位不能位寻址，故不能进行布尔操作，但由于AUXR1的D1位被强制为逻辑“0”，不可能发生由D0位向D1位进位之可能，因而可以通过对AUXR1进行增1来使D0位由0变为1或由1变为0，从而达到双数据指针的快速切换的目的，如：
　　例2：

　　MOVAUXR1,#0 ; DPS为0，DPTR0有效

　　 ……

　　INC AUXR1 ; DPS为1，DPTR1有效

　　 ……

　　 INC AUXR1 ; DPS为0，DPTR0有效

　　 ……

　　ISP功能能实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善，加快了产品的开发速度，减少了新产品因软件缺陷带来的风险。由于可以将程序下载并观看运行结果，故也可以不用仿真器。 

　　单片机的提速运行、双数据指针及ISP功能并非是W77系列所特有的，一些新的型号的51系列产品大都有该功能，如Philips的51LPC系列、 AT89系列中的某些型号、STC89C系列等等。有的单片机还附有A/D、D/A转换、片内EEPROM数据存储器、PWM输出、I2C总线、上电复位检测、欠压复位检测等等，这些新系列的单片机，它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现，大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置，这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间（80～FFH）的预留地址上。
　　比较有代表性的产品还有STC89C51RC、C8051F331/330等等。可以这么说，新的51产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多，此处不可能一一列举，读者可根据使用的需求查阅相关的资料.

2．PIC系列

　　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3:

　　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。

3．AVR系列
　　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。