一文读懂stm32和51单片机的区别

一、引言

在嵌入式系统开发领域，STM32 和 51 单片机是两款被广泛使用的微控制器。51 单片机以其简单易学、成本低廉的特点，在早期的电子开发中占据了主导地位；而 STM32 作为后起之秀，凭借其高性能、丰富的外设和强大的处理能力，逐渐成为了中高端应用的首选。本文将从多个方面详细阐述 STM32 和 51 单片机的区别，并给出相应的代码示例进行对比。

二、硬件架构

2.1 内核

• 51 单片机：采用 8 位的 8051 内核，数据处理能力相对较弱，一次只能处理 8 位数据。其指令集简单，适合初学者入门学习。
• STM32：基于 ARM Cortex - M 系列内核，常见的有 Cortex - M3、Cortex - M4 等。这些内核为 32 位架构，一次能处理 32 位数据，数据处理能力和运算速度远高于 51 单片机。

2.2 存储器

• 51 单片机：内部程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）容量较小。一般片内 ROM 为几 KB 到几十 KB，RAM 为几百字节。对于较大的程序或需要大量数据存储的应用，可能需要外接存储器。
• STM32：拥有较大容量的程序存储器和数据存储器。程序存储器可达几十 KB 到几 MB，数据存储器也有几 KB 到上百 KB，能够满足更复杂的应用需求。

2.3 外设

• 51 单片机：外设资源相对较少，常见的有定时器、串口、中断等。对于一些复杂的功能，如 USB 通信、SD 卡读写等，需要外接扩展芯片来实现。
• STM32：具备丰富的外设资源，除了基本的定时器、串口、中断外，还集成了 USB、SPI、I2C、CAN 等多种通信接口，以及 ADC、DAC 等模拟外设，方便开发者实现各种复杂的功能。

三、开发环境

3.1 编程语言

• 51 单片机：主要使用汇编语言和 C 语言进行开发。汇编语言能够直接操作硬件，但代码可读性和可维护性较差；C 语言则相对容易理解和编写，逐渐成为 51 单片机开发的主流语言。
• STM32：同样支持汇编语言和 C 语言，同时也可以使用 C++ 进行开发。由于 STM32 的功能复杂，使用 C 语言或 C++ 能够更高效地进行开发。

3.2 开发工具

• 51 单片机：常见的开发工具有 Keil C51、SDCC 等。Keil C51 是一款功能强大的集成开发环境，支持汇编和 C 语言的编译、调试。
• STM32：开发工具主要有 Keil MDK、IAR Embedded Workbench、STM32CubeMX 等。Keil MDK 是 STM32 开发中最常用的工具之一，提供了丰富的库函数和调试功能；STM32CubeMX 则可以通过图形化界面配置 STM32 的外设和时钟，生成初始化代码，大大提高了开发效率。

四、性能比较

4.1 运算速度

• 51 单片机：由于其 8 位内核的限制，运算速度较慢，时钟频率一般在几十 MHz 以下。对于一些对实时性要求较高的应用，如高速数据采集、复杂算法处理等，51 单片机往往难以胜任。
• STM32：32 位内核和较高的时钟频率（可达上百 MHz）使其运算速度远高于 51 单片机，能够快速处理大量的数据和复杂的算法。

4.2 功耗

• 51 单片机：功耗相对较低，在一些对功耗要求不高的简单应用中具有一定的优势。但在低功耗模式下，其功能也会受到较大限制。
• STM32：具有多种低功耗模式，如睡眠模式、停止模式和待机模式等。通过合理配置低功耗模式，STM32 可以在保证系统功能的前提下，有效降低功耗，适用于对功耗要求较高的电池供电设备。

五、代码示例对比

5.1 点亮 LED 灯

51 单片机代码（使用 Keil C51）

#include 

sbit LED = P1^0;  // 定义 LED 连接的引脚

void main() {
    while (1) {
        LED = 0;  // 点亮 LED
    }
}

STM32 代码（使用 Keil MDK 和 HAL 库）

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();

    while (1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮 LED
    }
}

void SystemClock_Config(void) {
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
    * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
    */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
    /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
    */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    /* GPIO Ports Clock Enable */
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    /*Configure GPIO pin Output Level */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);

    /*Configure GPIO pin : PA0 */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

5.2 代码解释

• 51 单片机代码：代码简单直观，直接通过对 P1 口的第 0 位进行赋值来控制 LED 的亮灭。
• STM32 代码：使用了 HAL 库，代码相对复杂。需要进行系统时钟配置和 GPIO 初始化，然后通过 HAL 库提供的函数来控制 LED 的亮灭。虽然代码量增加了，但 HAL 库提供了统一的接口，方便开发者进行跨平台开发和代码复用。

六、应用场景

6.1 51 单片机

• 适合初学者入门学习嵌入式开发，由于其硬件结构和指令集简单，容易理解和掌握。
• 适用于对成本敏感、功能简单的应用，如简单的家电控制、玩具等。

6.2 STM32

• 广泛应用于工业控制、汽车电子、智能家居等领域，能够满足这些领域对高性能、高可靠性和丰富外设的需求。
• 适用于对实时性要求较高的应用，如机器人控制、高速数据采集等。

七、总结

STM32 和 51 单片机在硬件架构、开发环境、性能和应用场景等方面存在明显的区别。51 单片机以其简单易学、成本低廉的特点，在一些简单应用中仍有一定的市场；而 STM32 凭借其高性能、丰富的外设和强大的处理能力，成为了中高端应用的首选。开发者可以根据项目的具体需求，选择合适的单片机进行开发。

✅作者简介：热爱科研的嵌入式开发者，修心和技术同步精进

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