8位单片机有哪些？各有何特点？

8位单片机有5类：8051、AVR、PIC、MSP430、ARM。要了解其各自的性能特点，首先要弄清两个基本概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓的冯·诺依曼结构。其指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格也高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓的哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度也更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

下面分别介绍这5类单片机的性能特点：

一、8051单片机

AVR单片机具有高可靠性、强大功能、高速度、低功耗和低价格的特点。

早期的单片机采用了保守的设计方案，通过较高的分频系数对时钟进行分频，导致指令周期长，执行速度慢。即使后来的CMOS单片机采用了提高时钟频率和缩小分频系数等措施，这种状况并没有完全改观（包括51系列及51兼容的单片机）。尽管出现了一些精简指令集单片机（RISC），但仍然延续了对时钟分频的做法。

AVR单片机的推出彻底颠覆了这种旧的设计格局，取消了机器周期，摒弃了复杂指令计算机（CISC）的方式，而是追求指令的完备性。它采用了精简指令集，以字为指令长度单位，将丰富的操作数和操作码安排在同一个字中（大多数单周期指令都是这样的）。这种设计使得取指周期短，能够预取指令，实现流水作业，从而实现快速执行指令。当然，这种速度提升是在高可靠性的基础上实现的。

AVR单片机的硬件结构采用了8位单片机和16位单片机的折中策略，使用了局部寄存器堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出方案（包括输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应的控制逻辑）。这种设计提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时减少了外设管理的开销，简化了硬件结构，降低了成本。因此，AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本等多个方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

二、AVR单片机

AVR单片机具有高可靠性、功能强大、高速度、低功耗和低价格等特点。

在早期，单片机采用较高的分频系数对时钟进行分频，导致指令周期长，执行速度较慢。即使后来的CMOS单片机采用了提高时钟频率和缩小分频系数等措施，这种状况并未完全改观（包括51系列及51兼容的单片机）。虽然也出现了一些精简指令集单片机（RISC），但仍继续沿用对时钟分频的做法。

AVR单片机的推出彻底打破了这种旧的设计格局，取消了机器周期，摒弃了复杂指令计算机（CISC）的方式，而是追求指令的完备性。它采用了精简指令集，以字为指令长度单位，将丰富的操作数和操作码安排在同一个字中（大多数单周期指令都是这样的）。这种设计使得取指周期短，能够预取指令，实现流水作业，从而实现快速执行指令。当然，这种速度提升是建立在高可靠性的基础上的。

AVR单片机的硬件结构采用了8位单片机和16位单片机的折中策略，使用局部寄存器堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出方案（包括输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应的控制逻辑）。这种设计提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时减少了外设管理的开销，简化了硬件结构，降低了成本。因此，AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本等多个方面取得了优化平衡，是一款性价比高的单片机。

总结起来，AVR有以下几个特点。

（1）哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力。
（2）超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理所造成的瓶颈现象。
（3）快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号的FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。
（4）作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出）；作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10～20mA灌电流的能力。
（5）片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定、可靠。
（6）大部分AVR片上资源丰富，带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等。
（7）大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。

AVR单片机有3个档次：

低档Tiny系列AVR单片机：主要有Tiny11/12/13/15/26/28等。中档AT90S系列AVR单片机：主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；高档ATmega系列AVR单片机：主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）及ATmega8515/8535等。

三、PIC单片机

PIC的主要优势在于：

（1）PIC的最大特点是不搞单纯的功能堆积，从实际出发，重视产品的性价比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也不同。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机。

该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在人民币3～6元之间。这款单片机在像摩托车点火器这样的应用无疑非常适合。PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档的型号）有40个引脚，其内部资源为4KB ROM、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、3个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。

（2）精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2：1的代码压缩，速度提高4倍。

（3）产品上市零等待。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。

（4）PIC有优越的开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，普通51单片机的开发系统大多采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。从我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。

（5）其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源上，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。

（6）彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。

（7）自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。

（8）睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI-MSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。

四、MSP430单片机

MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下特点。

强大的处理能力：采用16位RISC结构，具有丰富的寻址方式和指令集，高效的查表处理指令，速度快，指令周期为125ns，可编写高效率的源程序。
高运算速度：在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期，配合16位数据宽度和硬件乘法器，可实现数字信号处理算法。
灵活的中断系统：拥有多个中断源，并支持任意嵌套，使用灵活方便。在省电备用状态下，通过中断请求唤醒仅需6μs。
超低功耗：MSP430单片机功耗极低，通过降低芯片电源电压和灵活可控的运行时钟来实现超低功耗。

电源电压范围：采用1.8～3.6V电压，使得在1MHz时钟条件下运行时，芯片电流在200～400μA之间，时钟关断模式下的最低功耗为仅0.1μA。
独特的时钟系统设计：包括基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。可以使用一个或两个晶体振荡器来产生所需的时钟信号。时钟可根据指令控制开启和关闭，实现对总体功耗的控制。
多种工作模式：系统包括一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0～LPM4），在待机模式下功耗仅为0.7μA，在极低功耗模式下甚至可以达到0.1μA。
系统工作稳定：上电复位后，DCOCLK启动CPU，确保程序从正确位置开始执行，保证晶体振荡器启动和稳定时间。软件可设置寄存器控制位来确定系统时钟频率。若晶体振荡器用于CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动以保证系统正常工作；同时，看门狗可用于检测程序错误并复位系统。

五、ARM公司成立于1991年，总部位于英国剑桥，专注于销售芯片设计技术的授权。ARM技术知识产权（IP）核的微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。基于ARM技术的32位RISC微处理器约占据市场份额的75%以上，逐步渗透到生活的各个方面。

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，不直接从事芯片生产，而是通过转让设计许可给合作公司，让它们生产具有特色的芯片。全球各大半导体生产商从ARM公司购买设计的ARM微处理器核，根据不同的应用领域，加入适当的外围电路，生产出自己的ARM微处理器芯片。数十家大型半导体公司使用ARM公司的授权，这使得ARM技术得到更多第三方工具、制造和软件的支持，降低整个系统成本，使产品更容易被市场接受。

ARM处理器的特点如下：

（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；
（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；
（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；
（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；
（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；
（6）指令长度固定。

ARM的商业模式之所以强大，是因为它在全球范围内拥有超过100个合作伙伴。事实上，ARM是一家设计公司，不直接生产芯片，而是通过许可证制度，让合作伙伴生产芯片。

所以，ARM不是单片机，而是一种处理器的IP核。英国ARM公司开发了处理器结构后，向其他芯片厂商提供制造许可。芯片厂商可以根据需要对结构和功能进行调整，因此实际使用的ARM处理器有多种类型，由三星、飞利浦、Atmel、Intel等制造，具有不同的功能和用途。ARM处理器核可嵌入其他专用芯片中作为中央处理单元使用，例如飞利浦的MP3解码芯片采用的就是ARM7核心。ARM系列处理器很少集成片上硬件资源，更类似于当今的处理器，通常不被视为单片机。