51单片机与PIC单片机和AVR单片机的性能对比分析

八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。由于八位单片机种类繁多，本文仅将常用的几种在性能上作一个简单的比较，供读者在使用时作参考。
1. 51系列
应用最广泛的八位单片机首推intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准mcu芯片。
51系列优点之一是它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。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20h～2fh，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00h～7fh），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。
例1：如对21h的第0位（相应位地址为08h）置位，只需用一条位指令，setb08h对周围的其他位不会产生影响。
有的单片机并不能直接对ram单元中的位进行操作，如avr系列单片机中，若想对ram中的某位置位时，必须通过状态寄存器sreg的t位进行中转。
例2：如对ram中的r0寄存器的第4位置位，则bset6 ；状态寄存器t置位bld r0， 4 ；将t位复制到r0的第4位显然，后者比前者要复杂。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。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。
intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4k字节的一次性程序存储器（otp）。atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器（flash），容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品at89c51、at89c52 ……等成为了当今最流行的八位单片机。
51系列的i/o脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各i/o口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20ma，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μa甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现（见附图），i/o脚不通，电流经r驱动led发光；低电平时，i/o脚导通，电流由该脚入地，led灭（i/o脚导通时对地的电压降小于1v，led的域值1.5～1.8v）。
51系列i/o脚使用简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。故其他系列的单片机（如pic系列、avr系列等）对i/o口进行了改进，增加了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。
一些简装的51产品也相应出现，如atmel公司的at89c1051、at89c2051、at89c4051等（闪速存储器分别为1k、2k、4k等，但不能外接数据存储器），指令系统与at89c51完全兼容，但引脚均为20脚，不光体积小，而且价格低廉，这使得其他的公司竞相仿照。
不过，原51系列也有许多值得改进之处，如运行速度过慢等。当晶振频率为12mhz时，机器周期达1μs，显然适应不了现代高速运行的需要。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。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，如：
例3：
movauxr1，#0 ; dps为0，dptr0有效
……
inc auxr1 ; dps为1，dptr1有效
……
inc auxr1 ; dps为0，dptr0有效
……
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。
单片机的提速运行、双数据指针及isp功能并非是w77系列所特有的，一些新的型号的51系列产品大都有该功能，如philips的51lpc系列、at89系列中的某些型号、stc89c系列等等。有的单片机还附有a/d、d/a转换、片内eeprom数据存储器、pwm输出、i2c总线、上电复位检测、欠压复位检测等等，这些新系列的单片机，它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现，大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置，这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间（80～ffh）的预留地址上。
比较有代表性的产品还有stc89c51rc、c8051f331/330等等。可以这么说，新的51产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多，此处不可能一一列举，读者可根据使用的需求查阅相关的资料。
2．pic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。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160～200ns），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。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。pic系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。其中又以中级的pic16f873（a）、pic16f877 （a）用的最多，本文以这两种单片机为例进行说明。这两种芯片除了引出脚不同外（pic16f873（a）为28脚的pdip或soic封装；pic16f877（a）为40脚的pdip或44脚的plcc/qfp封装），其他的差别并不很大。
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。
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（80～ffh），而是分散在四个地址区间内，即存储体0（bank0：00～7fh）、存储体1（bank1 ：80～ffh）、存储体2（bank2 ：100～17fh）、存储体3（bank3 ：180～1ffh）。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。如：
例4：
clrfstatus ；清零rp1， rp0。选择存储体0
……
bsf status，rp0；置位rp0。选择存储体1
……
bcf status，rp0；清零rp0。选择存储体0
……
这多少给编程带来了一些麻烦。对于上述的单片机，它的位指令操作通常限制在存储体0区间（00～7fh）。
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；将寄存器20h的内容直接传送至寄存器30h中），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。
3．avr系列
avr单片机是atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。avr单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4～8mhz，故最短指令执行时间为250～125ns。该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：at90s2313（简装型）、at90s8515、at90s8535（带a/d转换）。
通用寄存器一共32个（r0～r31），前16个寄存器（r0～r15）都不能直接与立即数打交道，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）均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。
avr系列没有类似累加器a的结构，它主要是通过r16～r31寄存器来实现a的功能。在avr中，没有像51系列的数据指针dptr，而是由x（由r26、r27组成）、y（由r28、r29组成）、z（由r30、r31组成）三个16位的寄存器来完成数据指针的功能（相当于有三组dptr），而且还能作后增量或先减量等的运行，如：
例5：
ldrd， x ；将x所指的地址的内容装入寄存器rd中。
ldrd，y＋；将y所指的地址的内容装入寄存器rd
中，然后y的地址增1。
ldrd，－x ；将x的地址减1所指的地址的内容装入
寄存器rd中。
在51系列中，所有的逻辑运算都必须在a中进行；而avr却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在a中的来回折腾，这些都比51系列强。
avr的专用寄存器集中在00～3f地址区间，无需像pic那样得先进行选存储体的过程，使用起来比pic方便。avr的片内ram的地址区间为0060～$00df（at90s2313）和 0060～025f（at90s8515、at90s8535），它们占用的是数据空间的地址，这些片内ram仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器r0～r31就显得不够用；而51系列的通用寄存器多达128个（为avr的4倍），编程时就不会有这种感觉。
avr的i/o脚类似pic，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10ma左右，低电平吸入电流20ma。虽不如pic，但比51系列强。