51系列中嵌入式單片機(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系列的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)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)都不具備乘法功能，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(wú)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(guò)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。

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(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(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)。

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(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(RPl)和第5位(RPO)置位或清零。這多少給編程帶來(lái)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(guò)工作寄存器w(相當(dāng)于5l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(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。

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(wèn),所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因?yàn)樵赑IC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。

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。寄存器組:PIC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(wèn)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。

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(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(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。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系列強(qiáng)。