AVR、51 系列、PIC 單片機(jī)的對(duì)比分析
一、單片機(jī)分類 AVR、51系列、PIC單片機(jī)簡(jiǎn)單概述。
單片機(jī)按CPU 的處理能力分類目前有 4 位、8 位、16 位、32 位，位數(shù)越高的單片機(jī)
在數(shù)據(jù) 處理能力和指令系統(tǒng)方面就越強(qiáng)，AVR、51、PIC 都屬于 8 位機(jī)。8 位單片機(jī)由于
內(nèi)部構(gòu)造 簡(jiǎn)單、體積小、成本低廉，在一些較簡(jiǎn)單的控制器中應(yīng)用很廣。即便到了本世紀(jì)，
在單 片機(jī)應(yīng)用中，仍占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。8 位單片機(jī)也是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)，在各個(gè)
領(lǐng)域上 都可以看到它的身影。
1、51 系列單片機(jī)概述。
51 系列單片機(jī)最早有 Intel 公司推出，主要有 8031 系列，8051 系列。后來Atmel 公
司 以8051 的內(nèi)核為基礎(chǔ)推出了AT89 系列單片機(jī)。比較適合初學(xué)者的需要。
2、AVR 單片機(jī)概述。
AVR 單片機(jī)也是Atmel 公司的產(chǎn)品，最早的就是 AT90 系列單片機(jī)，現(xiàn)在很多AT90 單
片機(jī)都轉(zhuǎn)型為 Atmega 系列和 Attiny 系列，AVR 單片機(jī)最大的特點(diǎn)是精簡(jiǎn)指令型單片機(jī)，
執(zhí)行速度，在相同的振蕩頻率下是8 位 MCU 中最快的一種單片機(jī)。
3、PIC 單片機(jī)概述。
PIC 單片機(jī)是Microchip 公司的產(chǎn)品，它也是一種精簡(jiǎn)指令型的單片機(jī)，指令數(shù)量比較
少，中檔的 PIC 系列僅僅有 35 條指令而已，低檔的僅有33 條指令。但是如果使用匯編語
言編寫 PIC 單片機(jī)的程序有一個(gè)致命的弱點(diǎn)就是 PIC 中低檔單片機(jī)里有一個(gè)翻頁的概念，
編寫程序比較麻煩。
二、AVR、51系列、PIC 單片機(jī)的對(duì)比分析。
1、51 系列單片機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析。
51 系列是應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)， 由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理， 指令系統(tǒng)規(guī)范， 加之生產(chǎn)歷 史
“悠久” ，有先入為主的優(yōu)勢(shì)。世界有許多著名的芯片公司都購(gòu)買了 51 芯片的核心專利技
術(shù)， 并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行性能上的擴(kuò)充， 使得芯片得到進(jìn)一步的完善， 形成了一個(gè)龐大的體系，
直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機(jī)世界炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。
51 系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(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，
或布爾處理器。它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對(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，
使用起來得心應(yīng)手。雖然其他種類的單片機(jī)也具有位處理功能，但能進(jìn)行位邏輯運(yùn)算的實(shí)屬
少見。51 系列在片內(nèi) RAM 區(qū)間還特別開辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，十六個(gè)字節(jié)，單
元 地址20H～2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理(作位處理時(shí)，合 128 個(gè)位，相應(yīng)位
地 址為OOH～7FH)，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?yàn)橐粋€(gè)
較復(fù)雜的程序在運(yùn)行過程中會(huì)遇到很多分支，因而需建立很多標(biāo)志位，在運(yùn)行過程中，需要
對(duì)有關(guān)的標(biāo)志位進(jìn)行置位、清零或檢測(cè)，以確定程序的運(yùn)行方向。而實(shí)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。
51 系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。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(shí)，只需一條指令即可。很多的八位單片機(jī)都不具
備乘**能，作乘法時(shí)還得編上一段子程序調(diào)用，十分不便。
51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，但高電平時(shí)無輸出能力，可謂有利有弊。故
其他 系列的單片機(jī)(如 PIC 系列、AVR 系列等)對(duì) I/O 口進(jìn)行了改進(jìn)，增加了方向寄存器以
確定輸 入或輸出，但使用也變得復(fù)雜。
同時(shí)， 原 51 系列也有許多值得改進(jìn)之處， 如運(yùn)行速度過慢等。 當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí)，
機(jī)器周期達(dá)1μs， 顯然適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運(yùn)行的需要。 華邦公司(Winbond)生產(chǎn)的產(chǎn)品型 號(hào)
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(qiáng)型，對(duì)原
有的8051 的時(shí)序作了改進(jìn)，每個(gè)機(jī)器周期從12 個(gè)時(shí)鐘周期改為4 個(gè)周期，使速度提高了
三 倍，同時(shí)，晶振頻率最高可達(dá)40MHz。W77 系列還增加了看門狗WatchDog、兩組 uART、
兩組DVTR 數(shù)據(jù)指針、ISP 等多種功能。
2、PIC 單片機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)分析。
PIC 單片機(jī)CPU 采用RISC 結(jié)構(gòu)， 分別有33、 35、 58 條指令(視單片機(jī)的級(jí)別而定)， 屬
精簡(jiǎn)指令集。而 51 系列有 111 條指令，AVR 單片機(jī)有 118 條指令，都比前者復(fù)雜。采用
Haryard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快(指令周期約160～200nS)，它能使程序存儲(chǔ)器的訪問和數(shù)
據(jù)存儲(chǔ)器的訪問并行處理，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， 這樣總的看來每條指令只需一個(gè)周期(個(gè)別除外)，
這也是高效率運(yùn)行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、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)。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， 低電平吸人電流達(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)，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)試及編程功能。
該系列單片機(jī)的專用寄存器)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)，即存儲(chǔ)體0(Bank0：00-7FH)、存儲(chǔ)體1(Bankl：80-FFH)、
存儲(chǔ)體2(Bank2： 100-17FH)、 存儲(chǔ)體3(Bank3： 180-1FFH)。 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)。在編程過程中，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(RPl)和第 5 位
(RPO)置位或清零。這多少給編程帶來了一些麻煩。對(duì)于上述的單片機(jī)，它的位指令操作 通
常限制在存儲(chǔ)體 0 區(qū)間(00～7FH)。 數(shù)據(jù)的傳送和邏輯運(yùn)算基本上都得通過工作寄存器 w(相
當(dāng)于 5l 系列的累加器 A)來進(jìn)行，而 51 系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送(如： MOV30H，20H；將寄存器 20H 的內(nèi)容直接傳送至寄存器 30H 中)，因而 PIC 單片機(jī)的瓶頸
現(xiàn)象比51 系列還要嚴(yán)重，這在編程中很有感受。
綜合來說PIC 單片機(jī)應(yīng)該說有三個(gè)主要特點(diǎn)：
(1)總線結(jié)構(gòu):MCS-51 單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型,計(jì)算機(jī)在同一個(gè)存儲(chǔ)空間取指
令和數(shù)據(jù),兩者不能同時(shí)進(jìn)行;而 PIC 單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu),指令和數(shù)據(jù)空間是完全
分開的,一個(gè)用于指令,一個(gè)用于數(shù)據(jù),由于可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問,所以提高了數(shù)據(jù)
吞吐率。 正因?yàn)樵?PIC 單片機(jī)中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)， 所以與常見的微控制器不同的一 點(diǎn)
是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是 8 位的，但指令總線位數(shù)分別位
12、14、16 位。
(2)流水線結(jié)構(gòu):MCS-51 單片機(jī)的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu),即取一條指令,執(zhí)行
完后再取下一條指令;而 PIC 的取指和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu),當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí),允
許下一條指令同時(shí)被取出,這樣就實(shí)現(xiàn)了單周期指令。
(3)寄存器組
IC 單片機(jī)的所有寄存器,包括 I/O 口,定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用 RAM
結(jié)構(gòu)形式,而且都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作;而 MCS-51 單片機(jī)需要兩個(gè)或
兩個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。
3、AVR 單片優(yōu)缺點(diǎn)分析。
AVR 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。 通用寄存器一共 32 個(gè) (RO-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5l 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。
AVR 系列沒有類似累加器A 的結(jié)構(gòu)， 它主要是通過R16～R31 寄存器來實(shí)現(xiàn)A 的功能。
在 AVR 中，沒有像5l 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。
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 中的來回折騰，這些都比 51 系列強(qiáng)。
AVR 的專用寄存器集中在＄00～＄3F 地址區(qū)間，無需像PIC 那樣得先進(jìn)行選存儲(chǔ)體的
過程，使用起來比PIC 方便。AVR 的片內(nèi) RAM 的地址區(qū)間為＄0060～＄00DF(AT90S23131)
和＄0060～＄025F(AT90S85l5、 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 一 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。
AVR 的I/O 腳類似PIC，它也有用來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。雖不如PIC，但比 51 系列強(qiáng)。 綜
合來看，AVR 與 51、PIC 單片機(jī)相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，用通俗的說法主要體現(xiàn)在 這幾個(gè)方面：
（1）、在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下 AVR 運(yùn)行速度最快；
（2）、所有 AVR 單片機(jī)的 FLASH、EEPROM 蓄存器都可以反復(fù)燒寫、支持在 ISP 在線
編程(燒寫)，入門費(fèi)用非常少；
（3）、片內(nèi)集成多種頻率的 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，使
得電路設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單；
（4）、每個(gè) IO 口作輸出時(shí)都可以輸出很強(qiáng)的高、低電平，作輸入時(shí) IO 口可以是高阻
抗或者帶上拉電阻；
（5）、 片內(nèi)具有豐富實(shí)用的資源， 如AD 模數(shù)器、 DA 數(shù)模器， 豐富的中斷源、 SPI、 USART、
TWI 通信口、PWM 等等；
（6）、片內(nèi)采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，大大的提高了破解的難度；
（7）、片內(nèi)FLASH 空間大、品種多，引腳少的有8 腳，多的有64 腳等各種封裝
（8）、部分芯片的引腳兼容 51 系列，代換容易，如 ATtiny2313 兼容 AT89C2051，
ATmega8515/162 兼容AT89S51 等
三、單片機(jī)的選擇。
各種單片機(jī)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)需要選擇。選擇單片機(jī)原則如下：
1. 單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O 引腳數(shù)量
2. 單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），EEPROM，擴(kuò)
展 RAM，CAN 接口，I2C 接口，SPI 接口，USB 接口。
3. Flash 和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。
4. 封裝 IP（雙列直插），PLCC（PLCC 有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。DIP 封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可
能方便一點(diǎn)。
5. 工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。
6. 功耗，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號(hào)線取電只能提供幾個(gè) mA,用PIC 就是因?yàn)榈凸模?br>后來出了MSP430 也不錯(cuò)。
7. 工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2 節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在 1.8-3.6V
電壓范圍內(nèi)工作。
8. 供貨渠道暢通。能申請(qǐng)樣片，小批量購(gòu)買有現(xiàn)貨。最好像標(biāo)準(zhǔn) 51，中發(fā)里隨便找個(gè)
柜臺(tái)就能買到（我在北京）
9. 價(jià)格低。
10. 有服務(wù)商，像周立功公司推 Philips，雙龍公司推AVR，都提供了很多有用的技術(shù)支
持，起碼燒寫器有地方買。
11. 燒錄器價(jià)格低，如果是ICP（把單片機(jī)放在燒錄器上編程）能否利用現(xiàn)有的燒錄器，
如果是表貼封裝，買一個(gè)轉(zhuǎn)接座也很貴，至少得一二百元。能否 ISP（在系統(tǒng)編程，即把芯
片先焊到板子上再通過預(yù)留的 ISP 接口編程），一般 ISP 編程器比較便宜大約一二百元甚至
幾十元。
12. 仿真器便宜。對(duì)于 FLASH 型單片機(jī)，仿真器不是必備的。但是對(duì)于OTP（一次性可
編程）型單片機(jī)，必須購(gòu)買或者租用仿真器。
13. 單片機(jī)匯編語言是自己熟悉的，并且能支持 C 語言。編程環(huán)境要像keil 一樣好用，
并且還是免費(fèi)的。 14. 網(wǎng)站速度快，資料豐富。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序。最好有
中文，像Atmel 就不錯(cuò)。
15. 保密性能好，查一下專業(yè)解密網(wǎng)站上的黑名單，再發(fā)個(gè) mail 咨詢一下解密價(jià)格。
16. 抗干擾性能好。我曾經(jīng)把XXC52 改為S52 后發(fā)現(xiàn)抗干擾性能下降，只好改回去。
17. 和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮.
