单片机读书报告-多种单片机对比.doc

单片机原理及其接口技术读书报告-常见单片机对比本学期，在单片机原理及其接口技术课程中我们主要学习了80C51单片机，在课余时间对其他常见的单片机类型进行了一些了解，比如AVR单片机、PIC单片机、MSP430单片机、Motorola 68系列，了解的方面主要包括性能、价格、应用领域等，并针对上述方面的内容与所学习的80C51单片机做了对比，整理内容如下：一、 性能分析MCS51（传统8051架构，华邦单片机）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。架构： 主要从架构的四个方面分析51系列单片机的性能。1.位处理器51系列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。2.可以进行位和字节处理的地址区间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20H2FH，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00H7FH），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。3. 数据指针DPTR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。4.ISP功能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。指令集细节：51系列乘法和除法指令给编程带来了很大的便利。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。AVR单片机系列利用ATMEL公司的Flash新技术，研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。架构： 主要从一下几个方面分析AVR系列单片机的性能1.AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)1040 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。2.AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 3.部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。 4.AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。 5.定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。 AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。6.AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。 7.AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。PIC单片机系列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。具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。架构：PIC系列单片机相对于51系列单片机有很多改进的地方，比如精简指令集，但也有瓶颈现象，比如寄存器间的数据传送。1.更精简的精简指令集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160200ns)，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。2.I/O双向口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。3.特殊功能寄存器（SFR）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(80FFH)，而是分散在四个地址区间内，即存储体0（Bank0： 007FH）、存储体1(Bank1 ：80FFH)、存储体2(Bank2 ：10017FH)、存储体3(Bank3：1801FFH)。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。4.位指令操作以及寄存器之间相互传送PIC系列单片机的位指令操作通常限制在存储体0区间（007FH）。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)，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。MSP430系列单片机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，这些特点保证了可编制出高效率的源程序。架构：1.运算速度快MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法。2.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和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，芯片的电流最低会在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 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。3.片内资源丰富MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；另外，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。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。4.方便高效的开发环境MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。Motorola 68系列单片机架构：1.地址总线68000地址总线为24位，故支持16MB最大物理内存。在使用32位长字对地址进行存储和计算时，高位的一个字节会被自动忽略。这种设计使得其具备相当的向前兼容性，可以直接运行为后续的纯32位CPU编写的软件。也因此，根据现今的定义，68000应称得上是一款32位CPU。摩托罗拉使用32位内部总线的目的在于希望能够在68000上编写可以被将来的后续产品直接使用的软件，而相关指令不必作位数上的调整。然而，编程人员还是有可能编写出无法与后续产品兼容的软件。倘若这种24位软件丢弃高位字节，或将该字节用作寻址以外的目的，它就有可能在32位68K系列CPU上运行失败。这就是说，对于希望支持向前兼容的软件，必须始终使用32位长字寻址，并且将最高位字节置零。2.内部寄存器68000包含8个32位通用寄存器（D0-D7），及8个32位地址寄存器（A0-A7）。最后一个地址寄存器，即A7，也作为标准栈指针使用，在编程中可以使用SP作为同义词。这组寄存器在规模上恰到好处：既可以对中断快速反应（只有十多个寄存器要保存），也有足够的寄存器来进行快速计算。尽管两种寄存器并存有时会比较麻烦，但在实践中并非难于掌握。据称，这还使得CPU的设计者们可以通过对地址寄存器组使用辅助计算单元，从而实现较高程度的并行机制。存储内容高位字节在前（Big Endian模式），与x86相反。3.状态寄存器68000比较、算术和逻辑操作会在状态寄存器SR的低端字节（又称CCR）中设置一些标志位，以供之后的条件跳转使用。这些标志位是：得零（Z）、进位（C）、溢出（V）、扩展（X）、负数（N）。尽管许多时候值是相同的，X与C依然是两个不同的标志位。这就允许算术、逻辑和移位操作的多余位与逻辑控制/连接造成的进位区别开。4.指令集68000的指令集基本上是正交的。大部分指令被划分成操作和地址模式两部分，并且大部分地址模式都对几乎全部指令可用。这种近似正交性在编程人员当中毁誉参半。编程者会清楚地发现，他/她所书写的指令可能被汇编成几种不同的二进制操作码。这实际上是一种不错的妥协：一方面，在便利性上与纯粹的正交指令系统相仿；一方面，CPU设计者可以有更多的自由来设计操作码表。5.特权级68K系列CPU包含两个特权级。超级用户（supervisor）模式和用户（user）模式。后者相比于前者只是禁用了中断级控制。中断总会使CPU进入超级用户态。超级用户标志位存储于状态寄存器SR中，并对用户可见。超级用户态下会有一个分离的栈指针用于中断处理。6.中断68000可以识别7级中断，从级别1到级别7。7级中断严格按优先级排列，一个高级中断总是能嵌套于一个低级中断。可以使用专门的特权指令在SR内设置最小中断级别，从而屏蔽所有小于此级别的中断。但如果设置为0，表示不接受中断。级别7不可被屏蔽，即NMI。级别1总是可以被高级中断打断。硬件中断源将中断信号以编码方式通过三条输入线传送给CPU。一般会使用专门的中断控制器来汇总各外部设备，并将中断信号按级编码与CPU硬连。二、 价格分析单片机类型价格分析MCS51（传统8051架构，华邦单片机 ）80C51系列，这是最基本的系列，虽然这些芯片已基本上不再使用，但它们是后续发展的芯片的基础，价格相对比较便宜。AVR单片机AVR系列的单片机一般是高性能28引脚的芯片，价格仅在￥7左右，性价比相当高。PIC单片机系列PIC 单片机的发展思路与51单片机不同，它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，依靠发展多种型号来满