1、單片機原理及其接口技術讀書報告-常見單片機對比本學期，在單片機原理及其接口技術課程中我們主要學習了80C51單片機，在課余時間對其他常見的單片機類型進行了一些了解，比如AVR單片機、PIC單片機、MSP430單片機、Motorola 68系列，了解的方面主要包括性能、價格、應用領域等，并針對上述方面的內容與所學習的80C51單片機做了對比，整理內容如下：一、 性能分析MCS51（傳統8051架構，華邦單片機）華邦公司(Winbond)生產的產品型號為W77系列和W78系列，W78系列與AT89C系列完全兼容。W77系列為增強型，對原有的8051的時序作了改進，每個機器周期從12個時鐘周期改為4

2、個周期，使速度提高了三倍，同時，晶振頻率最高可達40MHz。W77系列還增加了看門狗WatchDog、兩組UART、兩組DPTR數據指針、ISP等多種功能。特別是雙數據指針，能給編程帶來很大的便利。架構： 主要從架構的四個方面分析51系列單片機的性能。1.位處理器51系列從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節而是位。它不光能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。2.可以進行位和字節處理

3、的地址區間51系列在片內RAM區間還特別開辟了一個雙重功能的地址區間，十六個字節，單元地址20H2FH，它既可作字節處理，也可作位處理（作位處理時，合128個位，相應位地址為00H7FH），使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（包括前面所有的位功能），只需用一條位操作指令即可。3. 數據指針DPTR在51系列中，數據指針DPTR是片內與片外的數據存儲器打交道的主要途徑(由片外數據存儲器讀入片內累加器A或由片內累加器A寫入

4、片外數據存儲器)，也是程序存儲器與累加器A之間的數據傳送的必由之路。由于頻繁的數據交換，特別是數據塊的搬運和比較，數據指針非常吃緊，它需要不斷地實施現場保護與還原，不光編程變得復雜，而且運行速度也減慢。而當采用兩個數據指針時，可以各負其責，互不相擾，輕松地完成上述過程。兩個數據指針的選取取決于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。當DPS為0時，選中數據指針DPTR0（復位時DPS也為0）；DPS為1時，選中數據指針DPTR1。DPS位不能位尋址，故不能進行布爾操作，但由于AUXR1的D1位被強制為邏輯“0”，不可能發生由D0位向D1位進位之可能，因而可以通過對AUXR1進行增1來使D0位

5、由0變為1或由1變為0，從而達到雙數據指針的快速切換的目的。4.ISP功能ISP功能能實現在系統可編程，可以省去通用的編程器，單片機在用戶板上即可下載和燒錄用戶程序，而無需將單片機從生產好的產品上取下。未定型的程序還可以邊生產邊完善，加快了產品的開發速度，減少了新產品因軟件缺陷帶來的風險。由于可以將程序下載并觀看運行結果，故也可以不用仿真器。指令集細節：51系列乘法和除法指令給編程帶來了很大的便利。八位除以八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。作乘法時，只需一條指令就行了，即MULAB(兩個乘數分別在累加器A和寄存

6、器B中。積的低位字節在累加器A中，高位字節在寄存器B中)。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調用，十分不便。在51系列中，還有一條二進制-十進制調整指令DA，能將二進制變為BCD碼，這對于十進制的計量十分方便。而在其他的單片機中，則也需調用專用的子程序才行。AVR單片機系列利用ATMEL公司的Flash新技術，研發出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。架構： 主要從一下幾個方面分析AVR系列單片機的性能1.AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業級產品，具有大電流(灌電流)1040 mA,可直接驅動可控硅SCR或

7、繼電器，節省了外圍驅動器件。2.AVR單片機內帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉換，可組成廉價的A/D轉換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 3.部分AVR單片機可組成零外設元件單片機系統，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。 4.AVR單片機可重設啟動復位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂(飛),提高了產品的抗干擾能力。 5.定時/計數器T/C有8位和16位,可用作比較器。計數器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用于控制輸出，某些型號的AVR單片機有34個PWM，是作電機無級調速的理想器件。 AVR單片機有串行異

8、步通訊UART接口,不占用定時器和SPI同步傳輸功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般標準整數頻率下,而波特率可達576K。6.AVR單片機耗能低。對于典型功耗情況，WDT關閉時為100nA，更適用于電池供電的應用設備。有的器件最低1.8 V即可工作。 7.AVR單片機保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖Lock Bit技術，保密位單元深藏于芯片內部，無法用電子顯微鏡看到。PIC單片機系列PIC單片機系列是美國微芯公司（Microship）的產品，是當前市場份額增長最快的單片機之一。具有低工作電壓、低功耗、驅動能力強等特點。架構：PIC系列單片機相對于51系列單片機有很多改進的地方，比如精簡

9、指令集，但也有瓶頸現象，比如寄存器間的數據傳送。1.更精簡的精簡指令集CPU采用RISC結構，分別有33、35、58條指令（視單片機的級別而定），屬精簡指令集。而51系列有111條指令，AVR單片機有118條指令，都比前者復雜。采用Harvard雙總線結構，運行速度快(指令周期約160200ns)，它能使程序存儲器的訪問和數據存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結構，在一個周期內完成兩部分工作，一是執行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期（個別除外），這也是高效率運行的原因之一。2.I/O雙向口PIC系列單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸

10、出電路。I/O腳增加了用于設置輸入或輸出狀態的方向寄存器（TRISn ,其中n對應各口，如A、B、C、D、E等），從而解決了51系列I/O腳為高電平時同為輸入和輸出的狀態。當置位1時為輸入狀態，且不管該腳呈高電平或低電平，對外均呈高阻狀態；置位0時為輸出狀態，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態，有相當的驅動能力，低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可達20mA。相對于51系列而言，這是一個很大的優點，它可以直接驅動數碼管顯示且外電路簡單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調試及編程（ISP）功能。3.特殊功能寄存器（SFR）該系列單片機的專用寄存器（SFR）并不像51系列那樣都集中

11、在一個固定的地址區間內(80FFH)，而是分散在四個地址區間內，即存儲體0（Bank0： 007FH）、存儲體1(Bank1 ：80FFH)、存儲體2(Bank2 ：10017FH)、存儲體3(Bank3：1801FFH)。只有5個專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個存儲體內同時出現。在編程過程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復地選擇對應的存儲體，也即對狀態寄存器STATUS的第6位（RP1）和第5位（RP0）置位或清零。4.位指令操作以及寄存器之間相互傳送PIC系列單片機的位指令操作通常限制在存儲體0區間（007FH）。數據的傳送和邏輯運算基本上都得通

12、過工作寄存器W（相當于51系列的累加器A）來進行，而51系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送(如：MOV 30H，20H)，因而PIC單片機的瓶頸現象比51系列還要嚴重，這在編程中很有感受。MSP430系列單片機MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（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，這些特點保證了可編制出高效率的源程序。架構：1.運算速度快MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現40ns的指令

13、周期。16位的數據寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加運算）相配合，能實現數字信號處理的某些算法。2.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和靈活而可控的運行時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 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統、鎖頻環（FLL 和FLL+）時鐘系統和DCO數字振蕩器時鐘系統。可以只使用一個晶體振

14、蕩器（32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。3.片內資源豐富MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可

15、以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器；16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數、時序發生、 PWM 等；另外，MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的低功耗狀態時，中斷喚醒只需5s。4.方便高效的開發環境MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發調試環

16、境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和 C 語言。Motorola 68系列單片機架構：1.地址總線68000地址總線為24位，故支持16MB最大物理內存。在使用32位長字對地址進行存儲和計算時，高位的一個字節會被自動忽略。這種設計使得其具備相當的向前兼容性，可以直接運行為后續的純32位CPU編寫的軟件。也因此，根據現今的定義，

17、68000應稱得上是一款32位CPU。摩托羅拉使用32位內部總線的目的在于希望能夠在68000上編寫可以被將來的后續產品直接使用的軟件，而相關指令不必作位數上的調整。然而，編程人員還是有可能編寫出無法與后續產品兼容的軟件。倘若這種24位軟件丟棄高位字節，或將該字節用作尋址以外的目的，它就有可能在32位68K系列CPU上運行失敗。這就是說，對于希望支持向前兼容的軟件，必須始終使用32位長字尋址，并且將最高位字節置零。2.內部寄存器68000包含8個32位通用寄存器（D0-D7），及8個32位地址寄存器（A0-A7）。最后一個地址寄存器，即A7，也作為標準棧指針使用，在編程中可以使用SP作為同義詞

18、。這組寄存器在規模上恰到好處：既可以對中斷快速反應（只有十多個寄存器要保存），也有足夠的寄存器來進行快速計算。盡管兩種寄存器并存有時會比較麻煩，但在實踐中并非難于掌握。據稱，這還使得CPU的設計者們可以通過對地址寄存器組使用輔助計算單元，從而實現較高程度的并行機制。存儲內容高位字節在前（Big Endian模式），與x86相反。3.狀態寄存器68000比較、算術和邏輯操作會在狀態寄存器SR的低端字節（又稱CCR）中設置一些標志位，以供之后的條件跳轉使用。這些標志位是：得零（Z）、進位（C）、溢出（V）、擴展（X）、負數（N）。盡管許多時候值是相同的，X與C依然是兩個不同的標志位。這就允許算術、

19、邏輯和移位操作的多余位與邏輯控制/連接造成的進位區別開。4.指令集68000的指令集基本上是正交的。大部分指令被劃分成操作和地址模式兩部分，并且大部分地址模式都對幾乎全部指令可用。這種近似正交性在編程人員當中毀譽參半。編程者會清楚地發現，他/她所書寫的指令可能被匯編成幾種不同的二進制操作碼。這實際上是一種不錯的妥協：一方面，在便利性上與純粹的正交指令系統相仿；一方面，CPU設計者可以有更多的自由來設計操作碼表。5.特權級68K系列CPU包含兩個特權級。超級用戶（supervisor）模式和用戶（user）模式。后者相比于前者只是禁用了中斷級控制。中斷總會使CPU進入超級用戶態。超級用戶標志位存

20、儲于狀態寄存器SR中，并對用戶可見。超級用戶態下會有一個分離的棧指針用于中斷處理。6.中斷68000可以識別7級中斷，從級別1到級別7。7級中斷嚴格按優先級排列，一個高級中斷總是能嵌套于一個低級中斷。可以使用專門的特權指令在SR內設置最小中斷級別，從而屏蔽所有小于此級別的中斷。但如果設置為0，表示不接受中斷。級別7不可被屏蔽，即NMI。級別1總是可以被高級中斷打斷。硬件中斷源將中斷信號以編碼方式通過三條輸入線傳送給CPU。一般會使用專門的中斷控制器來匯總各外部設備，并將中斷信號按級編碼與CPU硬連。二、 價格分析單片機類型價格分析MCS51（傳統8051架構，華邦單片機 ）80C51系列，這是最基本的系列，雖然這些芯片已基本上不再使用，但它們是后續發展的芯片的基礎，價格相對比較便宜。AVR單片機AVR系列的單片機一般是高性能28引腳的芯片，價格僅在￥7左右，性價比相當高。PIC單片機系列PIC 單片機的發展思路與51單片機不同，它不搞單純的功能堆積，而是從實際出發，重視產品的性能與價格比，依靠發展多種型號來滿足不同層次的應用要求；精簡