ARM+DSP、AVR與C51的比較

曲慧芳

(太原理工大學(xué)，山西太原030024)

單片機(jī)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、便攜式智能儀器儀表、軍事、航空航天、家用電器、智能玩具、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等領(lǐng)域，使得各類(lèi)產(chǎn)品無(wú)論從功能，還是從精度以及其產(chǎn)品的質(zhì)量方面都大幅度的提升，同時(shí)，設(shè)計(jì)的電路很簡(jiǎn)單、可靠性非常高、發(fā)生的故障次數(shù)較低、成本低廉等。單片機(jī)種類(lèi)很多，本論文只針對(duì)ARM+DSP、AVR和C51單片機(jī)的特點(diǎn)，從不同的側(cè)面進(jìn)行了比較和闡述。

1 單片機(jī)的介紹

單片微型計(jì)算機(jī)(Single-Chip Microprocessor)是微型計(jì)算機(jī)(Microcomputer，簡(jiǎn)稱微機(jī))的一個(gè)重要分支。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因此又稱為微控制器(Microcontroller)。它的體積小，質(zhì)量輕，價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)，應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)作為控制部分的核心部件，廣泛運(yùn)用于汽車(chē)、紅外監(jiān)控設(shè)備、各種電子玩具、各類(lèi)報(bào)警裝置、各類(lèi)軍工、航空航天產(chǎn)品等等。

2 ARM+DSP的優(yōu)點(diǎn)

2.1 ARM單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 采用RISC架構(gòu)的ARM單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)［1］

(1)體積小、低功耗、低成本、高性能;(2)支持 Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件;(3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;(5)尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;(6)指令長(zhǎng)度固定。

2.2.2 ARM 處理器的優(yōu)點(diǎn)

ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、價(jià)格低、耗能低的 RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器，是32位單片機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個(gè)功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來(lái)配置生產(chǎn)。由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行。目前ARM在手持設(shè)備市場(chǎng)占有90%以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與測(cè)試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。其優(yōu)點(diǎn)是:

(1)高性能、低功耗、低價(jià)格;(2)豐富的可選擇芯片;(3)廣泛的第三方支持;(4)完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃。

2.2 DSP 的優(yōu)點(diǎn)

DSP(digital singnal processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件［2］。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

DSP的優(yōu)點(diǎn)是可程控，修改方便，穩(wěn)定性好，可重復(fù)性好，抗干擾性能好，0/1電平之間的容限大，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法，系統(tǒng)特性隨輸入信號(hào)的改變而改變，功耗小，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)快，價(jià)格低。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有以下特點(diǎn):(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法以及一次加法;(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù);(3)片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn);(4)具有低開(kāi)銷(xiāo)或無(wú)開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持;(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持;(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器;(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作;(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。

3 AVR的優(yōu)點(diǎn)

采用RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR。與其它8－Bit MCU相比，AVR 8－Bit MCU最大的特點(diǎn)是:(1)哈佛結(jié)構(gòu)，具備1MIPS/MHz的高速運(yùn)行處理能力;(2)超功能精簡(jiǎn)指令集(RISC)，具有32個(gè)通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用單一ACC進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象;(3)快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號(hào)FLASH非常大，特別適應(yīng)于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā);(4)作輸出時(shí)與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA(單一輸出)，作輸入時(shí)可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10 mA～20 mA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(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠;(6)大部分 AVR片上資源豐富:帶 E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等;(7)大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級(jí)或銷(xiāo)毀。

AVR的優(yōu)點(diǎn)是:(1)簡(jiǎn)便易學(xué)，費(fèi)用低廉;(2)高速、低耗、保密;(3)I/O口功能強(qiáng)，具有A/D轉(zhuǎn)換等電路;(4)有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)算器及通訊接口。

4 C51 的優(yōu)點(diǎn)［4］

(1)它從內(nèi)部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器或者布爾處理器，它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位，這就意味著它不僅能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理;(2)C51單片機(jī)還在片內(nèi)RAM區(qū)間特別開(kāi)辟了一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，其既可作字節(jié)處理，也可作位處理，使用起來(lái)靈活方便;(3)優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程也帶來(lái)了便利。

5 C51與ARM+DSP的比較

作為處理器，C51、ARM、DSP都不是單獨(dú)作為芯片來(lái)提供給用戶的，都要加一些外圍電路來(lái)支持，比如:存儲(chǔ)器、控制器、定時(shí)器、UART、SPI、I2C等，所以從處理器的角度來(lái)比較二者:(1)C51是8位的，ARM是32位的，DSP有16位的，也有更高的;(2)從運(yùn)算能力上看，C51最弱，DSP最強(qiáng)，ARM居中;(3)結(jié)構(gòu)差別較大，C51最簡(jiǎn)單，是一般的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)，ARM9以上的是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC，DSP一般使用哈佛結(jié)構(gòu);(4)C51一般芯片面積非常小，工作頻率很低，一般是10多MHz，有的是24MHz，所以功耗低。DSP則頻率很高，高達(dá)300MHz以上，所以功耗也大。ARM芯片面積也很小，ARM7是0.55 mm2，功耗也較小。頻率大約在幾十到200MHz之間;(5)C51一般主要應(yīng)用于不需要太多計(jì)算量的控制類(lèi)系統(tǒng)。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應(yīng)用于需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理，加密、解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍module一般較少。ARM是C51和DSP之間的一個(gè)折衷;(6)C51的性能遠(yuǎn)不如ARM和DSP，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原因就是性能價(jià)格比。因?yàn)樗墒炝耍×?，太便宜了。而在一些需要?fù)雜計(jì)算的領(lǐng)域，DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一個(gè)折衷點(diǎn)，并且建立了一個(gè)非常靈活的商業(yè)模型;(7)現(xiàn)在高端產(chǎn)品的一個(gè)趨勢(shì)是ARM+DSP;(8)ARM具有完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)劃:ARM核根據(jù)不同應(yīng)用需求對(duì)處理器的性能要求，有一個(gè)從 ARM7、ARM9 到 ARM10、ARM11，以及新定義的CortexM/R/A系列完整的產(chǎn)品線。前幾年應(yīng)用較多的主要是基于V4架構(gòu)的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些處理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel的AT91系列和Samsung的 S3C系列。近兩年，ARM Cortex系列以更好的性能、更低的價(jià)格得到快速推廣，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。ARM CortexM/R/A系列分別針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。M系列主要面向傳統(tǒng)微控制器(MCU/單片機(jī))應(yīng)用，這類(lèi)應(yīng)用面很廣，要求處理器有豐富的外設(shè)，并且各方面比較均衡;R系列強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，主要用于實(shí)時(shí)控制，如汽車(chē)引擎;A系列面向高性能、低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，如智能手機(jī)。選用ARM處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，技術(shù)積累性較強(qiáng)，生命周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)重用度高，不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時(shí)，可以針對(duì)應(yīng)用需求，從大量的ARM芯片中選用滿足性能、功能要求的產(chǎn)品，以獲得較好的性價(jià)比。

6 AVR和ARM的區(qū)別

(1)ARM是IP核，可供各大芯片商集成到各自的設(shè)計(jì)中;AVR這方面就差點(diǎn)，ATMEL一家，別無(wú)選擇;(2)實(shí)際產(chǎn)品成本方面，AVR優(yōu)于ARM，畢竟AVR是8位機(jī)，配什么外設(shè)都便宜，由于速度比ARM低，PCB版也好設(shè)計(jì)，20MHz的數(shù)字電路基本上只要通就行了，不用過(guò)多考慮信號(hào)完整性;而ARM的速度能輕易上100MIPS，32位的CPU也可以，速度上AVR根本沒(méi)法與ARM相比，不過(guò)ARM帶來(lái)的問(wèn)題就多了，要4層PCB，而且ARM的外設(shè)也貴;(3)功能方面，ARM大大優(yōu)于AVR，ARM可以做PDA，手機(jī);AVR顯然不行。功能上的優(yōu)勢(shì)意味著ARM比AVR有著更廣的應(yīng)用范圍;(4)外設(shè)方面AVR稍強(qiáng)，實(shí)際上我們可以看到Atmel公司的基于ARM核的AT91M55800A包括了很多AVR的外設(shè)，但還缺TWI/I2C，可變?cè)鲆?ADC，EEPROM等好用的部件。但是，毫無(wú)疑問(wèn)，ARM的外擴(kuò)外設(shè)能力比AVR強(qiáng)的多，所以外設(shè)方面兩者差不多。操作系統(tǒng)和軟件源碼資源方面，ARM拜Linux之賜，比AVR有優(yōu)勢(shì)點(diǎn)。但AVR上的嵌入式操作系統(tǒng)也不是沒(méi)有，Uc/OS－Ⅱ就不錯(cuò);(5)調(diào)試手段方面，ARM應(yīng)該優(yōu)于AVR，AVR就一個(gè)JTAG接口的仿真器可以，但所支持芯片有限，ARM方面書(shū)上有相當(dāng)多的方法調(diào)試。

7 AVR與C51的區(qū)別

(1)速度快 AVR是精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，其開(kāi)關(guān)電源模塊速度可以達(dá)到1MIPS/s，理論上是傳統(tǒng)的C51的12倍，實(shí)際上在10倍左右［3］;(2)片上資源豐富 MEGA系列片上具備JTAG仿真和下載功能。片內(nèi)含有看門(mén)狗電路、片內(nèi)程序Flash、片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM、同步串行接口 SPI、異步串口UART、內(nèi)嵌AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、模擬比較器、PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器、TWI(IIC)總線接口、硬件乘法器、獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)算器RTC、片內(nèi)標(biāo)定的RC振蕩器等片內(nèi)外設(shè)，可以滿足各種開(kāi)發(fā)需求;(3)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) I/O可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管、LED、繼電器等器件，節(jié)省很多外圍電路，既節(jié)省開(kāi)發(fā)難度，又降低成本;(4)功耗低 低功耗雖然比不上430單片機(jī)，但也是單片機(jī)中佼佼者;(5)可選擇型號(hào)種類(lèi)多 各種不同的MTD2002型號(hào)可以滿足不同的需求，讓你的項(xiàng)目有很多的選擇余地;(6)性價(jià)比高 在高性能的前提下，并沒(méi)有增加芯片的價(jià)格，價(jià)格可以和C51相比，而功能卻是C51不可以比的。

8 結(jié)束語(yǔ)

目前DSP、AVR、ARM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，對(duì)DSP、ARM、AVR問(wèn)題的關(guān)心仍是產(chǎn)業(yè)界流行的趨勢(shì)。同時(shí)，隨著新的應(yīng)用的不斷產(chǎn)生，新的嵌入式微處理器也層出不窮，可見(jiàn)ARM微處理器還有很大的發(fā)展空間。相信在未來(lái)幾年DSP+ARM及AVR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)我們的工作和生活等各個(gè)方面產(chǎn)生更大的影響，所以學(xué)習(xí)DSP+ARM以及AVR單片機(jī)將會(huì)很有前途。

［1］張勇.ARM原理與C程序設(shè)計(jì)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［2］周霖.DSP信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:國(guó)際工業(yè)出版社，2004.

［3］馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］田立，馬鳴鶴.51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)例精解［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.