1.5 8位單片機(jī)系列介紹

單片機(jī)根據(jù)微處理器字長可分為4類：4位、8位、16位和32位單片機(jī)。在這些機(jī)型中，8051單片機(jī)以其卓越品質(zhì)，仍是今后單片機(jī)發(fā)展的主流。雖然世界上的單片機(jī)品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，8051可能最終成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)芯片。

在8位單片機(jī)家族中，主流產(chǎn)品有80C51內(nèi)核、Motorola內(nèi)核、PIC內(nèi)核的單片機(jī)。它們的基本結(jié)構(gòu)相似，但由于采用的內(nèi)核不同，所以在性能上存在很多差別。

1.5.1 8051內(nèi)核的單片機(jī)

20世紀(jì)80年代中期以后，Intel把8051內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給了Atmel、Philips、NEC、AMD、Winbond、ADI、DALLAS等IC制造廠商。這些公司在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了8051的很多特性，采用CMOS工藝，并對8051做了一些擴(kuò)充，使產(chǎn)品特點更突出、功能更強(qiáng)、市場競爭力更強(qiáng)。因此，通常用8051系列來稱謂所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機(jī)。在眾多IC制造廠商支持下，8051內(nèi)核單片機(jī)已經(jīng)發(fā)展成上百個品種的大家族，現(xiàn)在都統(tǒng)稱為8051系列單片機(jī)。

通常，從功能特性上8051系列單片機(jī)可分為基本型、增強(qiáng)型、低功耗型和專用型。目前，使用的8051單片機(jī)都是MCS-51系列單片機(jī)的低功耗增強(qiáng)型、擴(kuò)展型的衍生機(jī)型，它們與MCS-51系列有很大的不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有些區(qū)別，但指令系統(tǒng)完全兼容。目前常用8051系列單片機(jī)有以下幾種類型。

1.STC系列單片機(jī)

STC89C51RC/RD+系列是宏晶科技公司于2005年中國本土推出的第一款具有全球競爭力、與MCS-51兼容的STC單片機(jī)，表1-3是STC89C51RC/RD+系列低功耗增強(qiáng)型STC單片機(jī)。這些單片機(jī)采用PDIP40、PLCC44、LQFP44封裝，內(nèi)部含有高保密、可編程Flash程序存儲器，可進(jìn)行100000次擦寫操作；包含32位或36位可編程I/O口，6～8個中斷源（分4個優(yōu)先級）、3個16位定時器/計數(shù)器，1個通用串行接口；端口驅(qū)動能力達(dá)20mA，具有正常工作模式（4～7mA）、空閑模式（1mA）、掉電模式（<0.1mA）三種工作模式；5V單片機(jī)工作電壓3.4～5.5V，3V單片機(jī)工作電壓2.0～3.8V；工作頻率0～40MHz，相當(dāng)于8051的0～80MHz，實際工作頻率可達(dá)48MHz。

表1-3 STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)性能一覽表

STC89C51xx系列單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，片內(nèi)包含ISP Flash、Data Flash存儲器，具有雙倍速、雙DPTR數(shù)據(jù)指針、降低EMI等特性。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU、系統(tǒng)可編程ISP、應(yīng)用可編程IAP，使得STC89C51xx系列單片機(jī)可以為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，完全可以取代其他公司生產(chǎn)的8051系列單片機(jī)（如Atmel公司的AT89C51/52/55、Philips公司P89C51/52/54等）。

該系列采用CMOS工藝，型號中間帶C的表示5V單片機(jī)，中間帶LE的表示3V單片機(jī)。

繼STC89C51系列單片機(jī)之后，STC公司又陸續(xù)推出STC15F4K60S4、STC15F2K60S2、STC15F1K28AD、STC15F104W、STC15F104ES、STC15F204ESW、STC15F204AD、STC15F412AD等系列高性能單片機(jī)（詳見第8章）等多個系列的單片機(jī)（如表1-4所示）。這個系列包括5V和3V工作電壓的單片機(jī)。它們都是每機(jī)器周期1個時鐘的高速單片機(jī)，工作頻率0～35MHz，最大相當(dāng)于普通8051的420MHz；芯片引腳封裝多樣，從8引腳到最多48引腳，通用I/O口最大可達(dá)44個，內(nèi)部新增有PCA/PWM、ISP/IAP、SPI串行通信、看門狗和大容量存儲器；每個I/O口驅(qū)動能力達(dá)20mA，但40引腳及以上封裝的單片機(jī)整個芯片最大功耗不能超過120mA，16～32引腳封裝的單片機(jī)不能超過90mA；可針對電機(jī)控制，抗干擾能力強(qiáng)，對開發(fā)小型電子產(chǎn)品有比較高的實用性，性價比高。

表1-4 STC15系列高性能單片機(jī)一覽表

2.NXP增強(qiáng)型單片機(jī)

Philips公司的P89LPC900系列是采用低功耗增強(qiáng)型80C51內(nèi)核制造的增強(qiáng)高檔型單片機(jī)（如表1-5所示）。它們采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，含有PLCC、TSSOP、HVQFN、LQFP等多種低成本的封裝形式，引腳少（有8、10、14、16、20、28、44、64引腳封裝），可以滿足多方面的性能要求。指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)80C51的6倍；此外還集成擴(kuò)充了很多系統(tǒng)級的功能部件，包括多路A/D、D/A、PWM輸出、模擬比較器和看門狗定時器；具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能；具有UART、I2C和SPI通信端口，提供片內(nèi)振蕩器、頻率范圍和RC振蕩器的可配置選項。可大大減少元件的數(shù)目，減小PCB面積，降低系統(tǒng)設(shè)計成本。

表1-5 LPC93x系列增強(qiáng)型單片機(jī)一覽表

LPC93x系列單片機(jī)除表中所列的性能外，還具有2個模擬比較器、2個16位定時/計數(shù)器和1個23位系統(tǒng)定時器。工作頻率為20kHz～18MHz，工作電壓范圍為2.4～3.6V，I/O口可承受5V（可上拉或驅(qū)動到5.5V），具有可編程I/O口輸出配置，口線驅(qū)動能力20mA。具有17個中斷源，4個中斷優(yōu)先級。

3.AVR高速型單片機(jī)

AVR系列單片機(jī)是Atmel公司結(jié)合Flash技術(shù)，于1997年推出的全新配置的精簡指令集（RISC）的8位單片機(jī)，簡稱AVR。目前，AVR單片機(jī)已形成低檔、中檔、高檔系列產(chǎn)品，分別對應(yīng)于ATtiny11/12/13/15/26/28、AT90 S1200/2313/8515/8535、AT Mega8/16/32/64/128、ATmega8515/8535等單片機(jī)。AT90系列正在淘汰或轉(zhuǎn)型到Mega系列中，高檔單片機(jī)含JTAG ICE仿真功能。AVR單片機(jī)的主要特點如下：

（1）采用哈佛結(jié)構(gòu)，具備高速運行處理能力，低功耗，具有Sleep（休眠）功能及CMOS技術(shù)，時鐘為20MHz時每條指令執(zhí)行速度為50ns，耗電1～2.5mA，典型功耗在WDT關(guān)閉時為100nA，具有空閑、省電、掉電三種低功耗方式，掉電模式下工作電流小于1μA。

（2）超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，解決了8051單片機(jī)采用單一ACC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸問題。

（3）快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，極大地優(yōu)化了目標(biāo)代碼，提高了執(zhí)行效率，有的Flash容量很大，特別適用于使用高級語言（如C語言）進(jìn)行開發(fā)，且易學(xué)、易寫、易移植。

（4）作為輸出時，與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出）。作為輸入時，可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10～20mA灌電流的能力。

（5）片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復(fù)位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

（6）AVR片上資源豐富，內(nèi)部集成了E2PROM、PWM、RTC、SPI、UART、TWI、ISP、A/D、Analog Comparator、WDT等部件。

（7）大部分AVR除具有ISP功能外，還有IAP功能，便于升級或銷毀應(yīng)用程序。

（8）高度保密，保密位在芯片底部，無法利用設(shè)備看到，可多次燒寫的Flash具有多重密碼保護(hù)鎖死功能。

（9）性價比高，寬電壓工作范圍（2.7～6.0V），電源抗干擾能力強(qiáng)。

所以，AVR單片機(jī)和8051單片機(jī)有所不同，開發(fā)設(shè)備也不通用。AVR的納秒級指令運行速度是8051處理器的50倍，是一款真正的8位高速單片機(jī)。

4.C8051Fxxx系列高速單片機(jī)

Cygnal公司推出的C8051F系列單片機(jī)，其指令集與MCS-51兼容，彌補(bǔ)了8051系列單片機(jī)速度慢、內(nèi)部資源少的不足。

C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在單片機(jī)內(nèi)集成了很多數(shù)據(jù)采集或系統(tǒng)控制所需要的功能部件。這些功能部件包括：8～64KB的Flash存儲器、ADC、DAC、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器、電源監(jiān)視器及20個中斷源等。這些部件的高集成度為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠、高性能的應(yīng)用系統(tǒng)提供了便利，同時也極大地降低了系統(tǒng)的成本。C8051F系列單片機(jī)運行速度在25MIPS以上，工作電壓2.7～3.6V，I/O、RST、JTAG引腳均允許輸入5V電壓，典型工作電流10mA，睡眠方式下電流0.1μA。

C8051F12x系列單片機(jī)中資源豐富、功能多、運算速度快（可達(dá)到100MIPS），標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)一個機(jī)器周期要占用12個系統(tǒng)時鐘周期，執(zhí)行一條指令最少要1個機(jī)器周期。C8051F系列單片機(jī)指令處理采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個時鐘周期降為1個時鐘周期，指令處理能力比MCS-51大大提高。CIP-51內(nèi)核70%的指令執(zhí)行是在1個或2個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成的，4條指令的執(zhí)行只需4個以上時鐘周期。CIP-51指令與MCS-51指令系統(tǒng)全兼容，共有111條指令。

因此，熟悉MCS-51系列單片機(jī)的工程技術(shù)人員可以很容易掌握C8051F系列單片機(jī)的應(yīng)用和軟件移植。但是不能將8051的程序直接應(yīng)用于C8051F單片機(jī)，因為這兩種系列單片機(jī)的內(nèi)部資源存在較大差異，不能完全移植照搬，必須經(jīng)過“改良”（主要是初始化控制字的改寫）后才能正確運行。

5.專用型單片機(jī)

就單片機(jī)的應(yīng)用面來說，有通用型和專用型。通用型單片機(jī)的主要特點是：內(nèi)部資源比較豐富，性能全面，而且通用性強(qiáng)，可覆蓋多種應(yīng)用要求。通用型單片機(jī)的用途很廣泛，使用不同的接口電路及編制不同的應(yīng)用程序就可實現(xiàn)不同的功能。上述介紹的8051系列都是低功耗通用型單片機(jī)。

專用型單片機(jī)的主要特點是：針對某一種產(chǎn)品或某一種控制應(yīng)用而專門設(shè)計，設(shè)計時已使結(jié)構(gòu)最簡，軟、硬件應(yīng)用最優(yōu)，可靠性及應(yīng)用成本最佳。專用型單片機(jī)用途專一，出廠時已將程序一次性固化好，因此生產(chǎn)成本低。例如，電子表、電話機(jī)、電視機(jī)和空調(diào)里就嵌入了專用型單片機(jī)；Cypress公司推出的EZU SR-2100單片機(jī)，在8051內(nèi)核的基礎(chǔ)上增加了USB接口電路，可以專門用于USB串行接口通信；日立公司推出的H8/310系列單片機(jī)是用于制作IC卡的專用8位單片機(jī)。

1.5.2 Motorola內(nèi)核的單片機(jī)

在單片機(jī)家族中，8051系列單片機(jī)一直扮演著重要的角色，在教學(xué)及科研等領(lǐng)域已經(jīng)成為單片機(jī)入門應(yīng)用的首選，該產(chǎn)品以其易讀性好、擴(kuò)展能力強(qiáng)而著稱，從而成為廣大單片機(jī)開發(fā)者最熟悉、最具代表性的機(jī)型。由于8051系列單片機(jī)在運算速度、功耗、內(nèi)部資源等方面略有不足，所以人們往往在熟悉8051系列單片機(jī)之后，又會選擇其他系列單片機(jī)去開發(fā)電子產(chǎn)品。

Motorola公司是世界上最大的單片機(jī)廠商之一，從M6800開始，推出了眾多品種的單片機(jī)。其中MC68H系列單片機(jī)MC68HC05和MC68HC08是兩個典型的、應(yīng)用廣泛的8位單片機(jī)。其電壓范圍為3.3～5.0V，正常工作電流大約為2mA，等待方式電流為0.5～1mA，停止方式電流為1～2μA，總線速度為2.1～4MHz，I/O口驅(qū)動能力為20mA。

MC68HC05采用HCMOS工藝制造，是一種高性能、低功耗的8位單片機(jī)，內(nèi)部有64～920KBRAM、0.9～32KBEPROM或E2PROM和各種I/O接口，有的還集成了A/D、PWM、COP監(jiān)視定時器，以及SPI、I2C、USB、CAN等串行接口，適用于家電、消費產(chǎn)品、儀器儀表和工業(yè)控制系統(tǒng)中。

MC68HC08系列單片機(jī)是在MC68HC05的基礎(chǔ)上改進(jìn)的8位單片機(jī)，采用0.35μm工藝，具有速度更快（總線速度8MHz）、價格低、功耗小、功能強(qiáng)等優(yōu)點，其Flash存儲器比MC68HC05具有更高的性價比。這個系列單片機(jī)包括GP、JL和XL通用型，汽車控制的AZ型，模糊控制的KX、KJ型，馬達(dá)控制MR型，電話用的W型，以及DSP型、家用消費型、智能IC卡型和LCD驅(qū)動型等。

Motorola單片機(jī)在同樣速度下所用的時鐘頻率比Intel公司的單片機(jī)低很多，因此高頻噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)，更適用于工控領(lǐng)域等惡劣環(huán)境，是一種很有應(yīng)用前景的單片機(jī)。

1.5.3 PIC內(nèi)核的單片機(jī)

PIC系列單片機(jī)是Microchip公司制造的一款8位單片機(jī)，采用RISC指令集（指令系統(tǒng)和開發(fā)工具與8051系列不同），僅有33條指令，指令最短執(zhí)行時間為160ns，功耗較低（在5V，4MHz振蕩頻率時工作電流＜2mA），可采用降低工作頻率的方法降低功耗，睡眠方式下電流小于15μA，工作電壓為2.5～6V，帶負(fù)載能力強(qiáng)，每個I/O接口可提供20mA拉電流或25mA灌電流。由于其超小型、低功耗、低成本、多品種等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器、儀表、通信、家電、玩具等領(lǐng)域。

PIC系列單片機(jī)價格低、性能高，在國內(nèi)應(yīng)用得越來越多，目前已形成低檔、中檔、高檔和高性能系列單片機(jī)，分別對應(yīng)PIC16C5x、PIC16Cxx、PIC17Cxx和PIC18Cxxx系列。其中PIC17Cxx系列是目前工業(yè)用單片機(jī)中速度最快的單片機(jī)，具有16位字寬的RISC指令系統(tǒng)（只有58條指令），時鐘頻率可至25MHz，指令周期可達(dá)160ns，片內(nèi)集成了豐富的硬件資源。PIC18Cxxx系列是集高性能、CMOS、全靜態(tài)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器于一體的16位單片機(jī)（價格與8位單片機(jī)相當(dāng)），具有嵌入分層控制能力，內(nèi)部包含靈活的OTP存儲器和先進(jìn)的模擬功能，可為用戶提供完美的片上系統(tǒng)解決方案。

1.5.4 其他公司8位單片機(jī)

除上述單片機(jī)外，還有各式各樣的單片機(jī)，如Micon公司的MDT20xx系列單片機(jī)是工業(yè)級OTP單片機(jī)，它與PIC單片機(jī)引腳完全兼容，海爾電冰箱、TCL通信產(chǎn)品和長安奧拓、鈴木轎車等設(shè)備的功率分配器就是使用的這款單片機(jī)。

TOSHIBA公司的單片機(jī)允許使用慢模式，采用32kHz時鐘，功耗可降至10μA數(shù)量級，其種類齊全，4位機(jī)在家電領(lǐng)域占有很大市場，8位機(jī)主要包含870系列和90系列。東芝公司的32位單片機(jī)采用MIPS3000A RISC的CPU結(jié)構(gòu)，適用于VCD、數(shù)碼相機(jī)和圖像處理等方面。

Z8是Zilog公司的單片機(jī)，采用多累加器結(jié)構(gòu)，有較強(qiáng)的中斷處理能力，開發(fā)工具價廉物美。Z8單片機(jī)采用低價位手段面向低端市場應(yīng)用。

EPSON公司的單片機(jī)以低電壓、低功耗和內(nèi)置LCD驅(qū)動器等特點聞名于世。目前已推出4位SMC62、SMC63系列和8位SMC88系列單片機(jī)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、儀器儀表、通信設(shè)備和手持式消費產(chǎn)品等領(lǐng)域。

COP8單片機(jī)是NS公司的產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了16位A/D轉(zhuǎn)換器，在多路看門狗和STOP工作方式下，單片機(jī)的喚醒方式很有特色，程序加密性很強(qiáng)。

Scenix公司推出的8位RISC結(jié)構(gòu)的SX系列單片機(jī)和Intel的Pentium II等產(chǎn)品被Electronic Industry Yearbook 1998評選為1998年世界十大處理器。SX系列采用雙時鐘設(shè)置，指令運行速度可達(dá)50、75、100MIPS，具有虛擬外設(shè)功能，可柔性化I/O接口，所有I/O接口都可單獨編程設(shè)定。提供各種編程函數(shù)庫，用于實現(xiàn)各種模塊功能，如多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FS和LCD驅(qū)動等。內(nèi)含E2PROM/Flash程序存儲器，可進(jìn)行在線編程和仿真。

Chipcon先鋒公司推出了全新概念的新一代ZigBee無線單片機(jī)CC2430/CC2431系列和短距離通信的新一代無線單片機(jī)CC2510/CC1110系列；這些以經(jīng)典8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機(jī)，也稱射頻SoC（片上系統(tǒng)），以其優(yōu)異的無線性能、超低功耗、超低成本，在單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域開創(chuàng)了單片機(jī)無線化和無線網(wǎng)絡(luò)化的全新時代，采用這些新型無線單片機(jī)，進(jìn)行無線通信、RFID產(chǎn)品等產(chǎn)品設(shè)計，是開發(fā)低成本、低功耗單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的理想方案。

三星單片機(jī)有KS51和KS57系列4位單片機(jī)，KS86和KS88系列8位單片機(jī)，KS17系列16位單片機(jī)和KS32系列32位單片機(jī)。三星公司在單片機(jī)技術(shù)上以引進(jìn)消化發(fā)達(dá)國家的技術(shù)、生產(chǎn)與之兼容的產(chǎn)品，然后以價格優(yōu)勢取勝。例如，在4位機(jī)上采用NEC的技術(shù)，8位機(jī)引進(jìn)Z8的技術(shù)，在32位機(jī)上購買ARM7內(nèi)核。三星的OTP型具有ISP在線編程功能，其單片機(jī)裸片的價格有相當(dāng)?shù)母偁幜Α?/p>

LG公司生產(chǎn)的GM90系列單片機(jī)與8051單片機(jī)兼容，多用于電話機(jī)、智能傳感器、電度表、工業(yè)控制、防盜報警裝置、各種計費器、各種IC卡裝置、VCD、DVD及CD-ROM等領(lǐng)域。

此外，HITACHI、SIEMENS、NEC、富士通等公司的單片機(jī)，都具有各自的特點和體系結(jié)構(gòu)。