單片機(jī)
單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。
單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：
7大主流單片機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析
單片機(jī)現(xiàn)在可謂是鋪天蓋地，種類繁多，讓開(kāi)發(fā)者們應(yīng)接不暇，發(fā)展也是相當(dāng)?shù)难杆伲瑥纳鲜兰o(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位8位發(fā)展到現(xiàn)在的各種高速單片機(jī)。各個(gè)廠商們也在速度、內(nèi)存、功能上此起彼伏，參差不齊。同時(shí)涌現(xiàn)出一大批擁有代表性單片機(jī)的廠商：Atmel、TI、ST、MicroChip、ARM…… 除此之外國(guó)內(nèi)廠商的STC單片機(jī)也是可圈可點(diǎn)。下面為大家?guī)?lái)51、MSP430、STM32、TMS、PIC、AVR、STC單片機(jī)之間的優(yōu)缺點(diǎn)比較及功能體現(xiàn)。
（一）51單片機(jī)
應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)當(dāng)然也是初學(xué)者們最容易上手學(xué)習(xí)的單片機(jī)，最早由Intel推出，由于其典型的結(jié)構(gòu)和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)，堪稱為一代“經(jīng)典”，為以后的其它單片機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。目前在教學(xué)場(chǎng)合和對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合大量被采用。
A、特點(diǎn)
51單片機(jī)之所以成為經(jīng)典，成為易上手的單片機(jī)主要有以下特點(diǎn)：
1、從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。不但能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來(lái)得心應(yīng)手。
2、同時(shí)在片內(nèi)RAM區(qū)間還特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，使用極為靈活，這一功能無(wú)疑給使用者提供了極大的方便。
3、乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便利。很多的八位單片機(jī)都不具備乘法功能，做乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。
B、缺點(diǎn)
51單片機(jī)雖然是經(jīng)典但是缺點(diǎn)還是很明顯的：
1、AD、EEPROM等功能需要靠擴(kuò)展，增加了硬件和軟件負(fù)擔(dān)。
2、雖然I/O腳使用簡(jiǎn)單，但高電平時(shí)無(wú)輸出能力，這也是51系列單片機(jī)的最大軟肋。
3、運(yùn)行速度過(guò)慢，特別是雙數(shù)據(jù)指針，如能改進(jìn)能給編程帶來(lái)很大的便利。
4、51保護(hù)能力很差，很容易燒壞芯片。
（二）MSP430單片機(jī)
MSP430系列單片機(jī)是1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，給人們留下的最大的亮點(diǎn)是低功耗而且速度快，匯編語(yǔ)言用起來(lái)很靈活，尋址方式很多，指令很少，容易上手。主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。在低功耗及超低功耗的工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用的比較多。
A、特點(diǎn)
MSP430單片機(jī)其迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的特點(diǎn)。
1、強(qiáng)大的處理能力，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式( 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址)、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。
2、在運(yùn)算速度方面，能在 8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期；16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加)相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法(如 FFT 等)。
3、超低功耗方面，MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處；電源電壓采用的是 1.8~3.6V 電壓，因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)， 芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA。
B、缺點(diǎn)
1、可能不太容易上手，不適合初學(xué)者入門，資料也比較少，只能跑官網(wǎng)去找。
2、占的指令空間較大，因?yàn)槭?6位單片機(jī)，程序以字為單位，有的指令竟然占6個(gè)字節(jié)，雖然程序表面上簡(jiǎn)潔， 但與pic單片機(jī)比較空間占用很大。
（三）STM32單片機(jī)
由ST廠商推出的STM32系列單片機(jī)，行業(yè)的朋友都知道，這是一款性價(jià)比超高的系列單片機(jī)，應(yīng)該沒(méi)有之一，功能及其強(qiáng)大。其基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核，同時(shí)具有一流的外設(shè)：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表現(xiàn)，當(dāng)然和MSP430的功耗比起來(lái)是稍微遜色的一些，但這并不影響工程師們對(duì)它的熱捧程度，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易用的工具再配合其強(qiáng)大的功能在行業(yè)中赫赫有名。
A、特點(diǎn)
STM32單片機(jī)其強(qiáng)大的功能主要表現(xiàn)在：
1、內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。
2、存儲(chǔ)器：片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器；6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器。
3、時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓；POR、PDR和可編程的電壓探測(cè)器(PVD)；4-16MHz的晶振；內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路，內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路；用于CPU時(shí)鐘的PLL；帶校準(zhǔn)用于RTC的32kHz的晶振。
4、調(diào)試模式：串行調(diào)試(SWD)和JTAG接口；最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口、最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器、最多多達(dá)13個(gè)通信接口。
（四）TMS單片機(jī)
這里也提一下TMS系列單片機(jī)，雖不算主流。由TI推出的8位CMOS單片機(jī)，具有多種存儲(chǔ)模式、多種外圍接口模式，適用于復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。雖然沒(méi)STM32那么優(yōu)秀，也沒(méi)MSP430那么張揚(yáng)，但是TMS370C系列單片機(jī)提供了通過(guò)整合先進(jìn)的外圍功能模塊及各種芯片的內(nèi)存配置，具有高性價(jià)比的實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制。
同時(shí)采用高性能硅柵CMOS EPROM和EEPROM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。低工作功耗CMOS技術(shù)，寬工作溫度范圍，噪聲抑制，再加上高性能和豐富的片上外設(shè)功能，使TMS370C系列單片機(jī)在汽車電子，工業(yè)電機(jī)控制，電腦，通信和消費(fèi)類具有一定的應(yīng)用。
（五）PIC單片機(jī)
PIC單片機(jī)系列是美國(guó)微芯公司(Microship)的產(chǎn)品，共分三個(gè)級(jí)別，即基本級(jí)、中級(jí)、高級(jí)，是當(dāng)前市場(chǎng)份額增長(zhǎng)最快的單片機(jī)之一，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，分別有33、35、58條指令，屬精簡(jiǎn)指令集。
同時(shí)采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，它能使程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)并行處理，這種指令流水線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期內(nèi)完成兩部分工作，一是執(zhí)行指令，二是從程序存儲(chǔ)器取出下一條指令，這樣總的看來(lái)每條指令只需一個(gè)周期，這也是高效率運(yùn)行的原因之一。
A、特點(diǎn)
PIC單片機(jī)之所以成為一時(shí)非常熱的單片機(jī)不外乎以下特點(diǎn)：
1、具有低工作電壓、低功耗、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。PIC系列單片機(jī)的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補(bǔ)推挽輸出電路，I/O腳增加了用于設(shè)置輸入或輸出狀態(tài)的方向寄存器，從而解決了51系列I/O腳為高電平時(shí)同為輸入和輸出的狀態(tài)。
2、當(dāng)置位1時(shí)為輸入狀態(tài)，且不管該腳呈高電平或低電平，對(duì)外均呈高阻狀態(tài)；置位0時(shí)為輸出狀態(tài)，不管該腳為何種電平，均呈低阻狀態(tài)，有相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力，低電平吸入電流達(dá)25mA，高電平輸出電流可達(dá)20mA。相對(duì)于51系列而言，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。
3、它可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示且外電路簡(jiǎn)單。它的A/D為10位，能滿足精度要求。具有在線調(diào)試及編程(ISP)功能。
B、缺點(diǎn)
1、其專用寄存器(SFR)并不像51系列那樣都集中在一個(gè)固定的地址區(qū)間內(nèi)(80～FFH)，而是分散在四個(gè)地址區(qū)間內(nèi)。只有5個(gè)專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個(gè)存儲(chǔ)體內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)，但是在編程過(guò)程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復(fù)地選擇對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)體，也即對(duì)狀態(tài)寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。
2、數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過(guò)工作寄存器W(相當(dāng)于51系列的累加器A)來(lái)進(jìn)行，而51系列的還可以通過(guò)寄存器相互之間直接傳送，因而PIC單片機(jī)的瓶頸現(xiàn)象比51系列還要嚴(yán)重，這在編程中的朋友應(yīng)該深有體會(huì)。
（六）AVR單片機(jī)
AVR單片機(jī)是Atmel公司推出的較為新穎的單片機(jī)，其顯著的特點(diǎn)為高性能、高速度、低功耗。它取消機(jī)器周期，以時(shí)鐘周期為指令周期，實(shí)行流水作業(yè)。AVR單片機(jī)指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執(zhí)行本指令功能，同時(shí)完成下一條指令的讀取。通常時(shí)鐘頻率用4～8MHz，故最短指令執(zhí)行時(shí)間為250～125ns。
A、特點(diǎn)
AVR單片機(jī)能成為最近仍是比較火熱的單片機(jī)，主要的特點(diǎn)：
1、AVR系列沒(méi)有類似累加器A的結(jié)構(gòu)，它主要是通過(guò)R16～R31寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)A的功能。在AVR中，沒(méi)有像51系列的數(shù)據(jù)指針DPTR，而是由X(由R26、R27組成)、Y(由R28、R29組成)、Z(由R30、R31組成)三個(gè)16位的寄存器來(lái)完成數(shù)據(jù)指針的功能(相當(dāng)于有三組DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運(yùn)行，而在51系列中，所有的邏輯運(yùn)算都必須在A中進(jìn)行；而AVR卻可以在任兩個(gè)寄存器之間進(jìn)行，省去了在A中的來(lái)回折騰，這些都比51系列出色些。
2、AVR的專用寄存器集中在00～3F地址區(qū)間，無(wú)需像PIC那樣得先進(jìn)行選存儲(chǔ)體的過(guò)程，使用起來(lái)比PIC方便。AVR的片內(nèi)RAM的地址區(qū)間為0～00DF(AT90S2313) 和0060～025F(AT90S8515、AT90S8535)，它們占用的是數(shù)據(jù)空間的地址，這些片內(nèi)RAM僅僅是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，通常不具備通用寄存器的功能。當(dāng)程序復(fù)雜時(shí)，通用寄存器R0～R31就顯得不夠用；而51系列的通用寄存器多達(dá)128個(gè)(為AVR的4倍)，編程時(shí)就不會(huì)有這種感覺(jué)。
3、AVR的I/O腳類似PIC，它也有用來(lái)控制輸入或輸出的方向寄存器，在輸出狀態(tài)下，高電平輸出的電流在10mA左右，低電平吸入電流20mA。這點(diǎn)雖不如PIC，但比51系列還是要優(yōu)秀的。
B、缺點(diǎn)
1、是沒(méi)有位操作，都是以字節(jié)形式來(lái)控制和判斷相關(guān)寄存器位的。
2、C語(yǔ)言與51的C語(yǔ)言在寫(xiě)法上存在很大的差異，這讓從開(kāi)始學(xué)習(xí)51單片機(jī)的朋友很不習(xí)慣。
3、通用寄存器一共32個(gè)(R0～R31)，前16個(gè)寄存器(R0～R15)都不能直接與立即數(shù)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)均可以直接與立即數(shù)打交道，顯然要優(yōu)于前者。
（七）Freescale單片機(jī)
主要針對(duì)S08，S12這類單片機(jī)，當(dāng)然Freescale單片機(jī)遠(yuǎn)非于此。Freescale系列單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)和流水線指令結(jié)構(gòu)，在許多領(lǐng)域內(nèi)都表現(xiàn)出低成本，高性能的的特點(diǎn)，它的體系結(jié)構(gòu)為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)節(jié)省了大量時(shí)間。此外Freescale提供了多種集成模塊和總線接口，可以在不同的系統(tǒng)中更靈活的發(fā)揮作用。
A、特點(diǎn)
Freescale單片機(jī)的特有的特點(diǎn)如下：
1、全系列：從低端到高端，從8位到32位全系列應(yīng)有盡有，其推出的8位/32位管腳兼容的QE128，可以從8位直接移植到32位，彌補(bǔ)單片機(jī)業(yè)界8/32 位兼容架構(gòu)中缺失的一環(huán)。
2、多種系統(tǒng)時(shí)鐘模塊：三種模塊，七種工作模式。多種時(shí)鐘源輸入選項(xiàng)，不同的mcu具有不同的時(shí)鐘產(chǎn)生機(jī)制，可以是RC振蕩器，外部時(shí)鐘或晶振，也可以是內(nèi)部時(shí)鐘，多數(shù)CPU同時(shí)具有上述三種模塊；可以運(yùn)行在FEI，F(xiàn)EE，F(xiàn)BI，F(xiàn)BILP，F(xiàn)BE，F(xiàn)BELP，STOP這七種工作模式。
3、多種通訊模塊接口：Freescale單片機(jī)幾乎在內(nèi)部集成各種通信接口模塊：包括串行通信接口模塊SCI，多主I2C總線模塊，串行外圍接口模塊 SPI，MSCAN08控制器模塊，通用串行總線模塊(USB/PS2)。
4、具有更多的可選模塊：具有LCD驅(qū)動(dòng)模塊，帶有溫度傳感器，具有超高頻發(fā)送模塊，含有同步處理器模塊，含有同步處理器的MCU還具有屏幕顯示模塊OSD，還有少數(shù)的MCU具有響鈴檢測(cè)模塊RING和雙音多頻/音調(diào)發(fā)生器DMG模塊。
5、可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，多種引腳數(shù)和封裝選擇。
6、低功耗、也許Freescale系列的單片機(jī)的功耗沒(méi)有MSP430的低，但是他具有全靜態(tài)的“等待”和“停止”兩種模式，從總體上降低您的功耗!新近推出的幾款超低功耗已經(jīng)與MSP430的不相上下。
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