1.5 8位单片机系列介绍

单片机根据微处理器字长可分为4类：4位、8位、16位和32位单片机。在这些机型中，8051单片机以其卓越品质，仍是今后单片机发展的主流。虽然世界上的单片机品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，8051可能最终成为事实上的标准单片机芯片。

在8位单片机家族中，主流产品有80C51内核、Motorola内核、PIC内核的单片机。它们的基本结构相似，但由于采用的内核不同，所以在性能上存在很多差别。

1.5.1 8051内核的单片机

20世纪80年代中期以后，Intel把8051内核使用权以专利互换或出售形式转让给了Atmel、Philips、NEC、AMD、Winbond、ADI、DALLAS等IC制造厂商。这些公司在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051的很多特性，采用CMOS工艺，并对8051做了一些扩充，使产品特点更突出、功能更强、市场竞争力更强。因此，通常用8051系列来称谓所有具有8051指令系统的单片机。在众多IC制造厂商支持下，8051内核单片机已经发展成上百个品种的大家族，现在都统称为8051系列单片机。

通常，从功能特性上8051系列单片机可分为基本型、增强型、低功耗型和专用型。目前，使用的8051单片机都是MCS-51系列单片机的低功耗增强型、扩展型的衍生机型，它们与MCS-51系列有很大的不同，内部结构有些区别，但指令系统完全兼容。目前常用8051系列单片机有以下几种类型。

1.STC系列单片机

STC89C51RC/RD+系列是宏晶科技公司于2005年中国本土推出的第一款具有全球竞争力、与MCS-51兼容的STC单片机，表1-3是STC89C51RC/RD+系列低功耗增强型STC单片机。这些单片机采用PDIP40、PLCC44、LQFP44封装，内部含有高保密、可编程Flash程序存储器，可进行100000次擦写操作；包含32位或36位可编程I/O口，6～8个中断源（分4个优先级）、3个16位定时器/计数器，1个通用串行接口；端口驱动能力达20mA，具有正常工作模式（4～7mA）、空闲模式（1mA）、掉电模式（<0.1mA）三种工作模式；5V单片机工作电压3.4～5.5V，3V单片机工作电压2.0～3.8V；工作频率0～40MHz，相当于8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

表1-3 STC89C51RC/RD+系列单片机性能一览表

STC89C51xx系列单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，使用高密度非易失性存储器技术制造，片内包含ISP Flash、Data Flash存储器，具有双倍速、双DPTR数据指针、降低EMI等特性。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU、系统可编程ISP、应用可编程IAP，使得STC89C51xx系列单片机可以为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，完全可以取代其他公司生产的8051系列单片机（如Atmel公司的AT89C51/52/55、Philips公司P89C51/52/54等）。

该系列采用CMOS工艺，型号中间带C的表示5V单片机，中间带LE的表示3V单片机。

继STC89C51系列单片机之后，STC公司又陆续推出STC15F4K60S4、STC15F2K60S2、STC15F1K28AD、STC15F104W、STC15F104ES、STC15F204ESW、STC15F204AD、STC15F412AD等系列高性能单片机（详见第8章）等多个系列的单片机（如表1-4所示）。这个系列包括5V和3V工作电压的单片机。它们都是每机器周期1个时钟的高速单片机，工作频率0～35MHz，最大相当于普通8051的420MHz；芯片引脚封装多样，从8引脚到最多48引脚，通用I/O口最大可达44个，内部新增有PCA/PWM、ISP/IAP、SPI串行通信、看门狗和大容量存储器；每个I/O口驱动能力达20mA，但40引脚及以上封装的单片机整个芯片最大功耗不能超过120mA，16～32引脚封装的单片机不能超过90mA；可针对电机控制，抗干扰能力强，对开发小型电子产品有比较高的实用性，性价比高。

表1-4 STC15系列高性能单片机一览表

2.NXP增强型单片机

Philips公司的P89LPC900系列是采用低功耗增强型80C51内核制造的增强高档型单片机（如表1-5所示）。它们采用了高性能的处理器结构，含有PLCC、TSSOP、HVQFN、LQFP等多种低成本的封装形式，引脚少（有8、10、14、16、20、28、44、64引脚封装），可以满足多方面的性能要求。指令执行时间只需2～4个时钟周期，是标准80C51的6倍；此外还集成扩充了很多系统级的功能部件，包括多路A/D、D/A、PWM输出、模拟比较器和看门狗定时器；具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能；具有UART、I2C和SPI通信端口，提供片内振荡器、频率范围和RC振荡器的可配置选项。可大大减少元件的数目，减小PCB面积，降低系统设计成本。

表1-5 LPC93x系列增强型单片机一览表

LPC93x系列单片机除表中所列的性能外，还具有2个模拟比较器、2个16位定时/计数器和1个23位系统定时器。工作频率为20kHz～18MHz，工作电压范围为2.4～3.6V，I/O口可承受5V（可上拉或驱动到5.5V），具有可编程I/O口输出配置，口线驱动能力20mA。具有17个中断源，4个中断优先级。

3.AVR高速型单片机

AVR系列单片机是Atmel公司结合Flash技术，于1997年推出的全新配置的精简指令集（RISC）的8位单片机，简称AVR。目前，AVR单片机已形成低档、中档、高档系列产品，分别对应于ATtiny11/12/13/15/26/28、AT90 S1200/2313/8515/8535、AT Mega8/16/32/64/128、ATmega8515/8535等单片机。AT90系列正在淘汰或转型到Mega系列中，高档单片机含JTAG ICE仿真功能。AVR单片机的主要特点如下：

（1）采用哈佛结构，具备高速运行处理能力，低功耗，具有Sleep（休眠）功能及CMOS技术，时钟为20MHz时每条指令执行速度为50ns，耗电1～2.5mA，典型功耗在WDT关闭时为100nA，具有空闲、省电、掉电三种低功耗方式，掉电模式下工作电流小于1μA。

（2）超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，解决了8051单片机采用单一ACC进行数据处理造成的瓶颈问题。

（3）快速的存取寄存器组、单周期指令系统，极大地优化了目标代码，提高了执行效率，有的Flash容量很大，特别适用于使用高级语言（如C语言）进行开发，且易学、易写、易移植。

（4）作为输出时，与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出）。作为输入时，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）AVR片上资源丰富，内部集成了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，还有IAP功能，便于升级或销毁应用程序。

（8）高度保密，保密位在芯片底部，无法利用设备看到，可多次烧写的Flash具有多重密码保护锁死功能。

（9）性价比高，宽电压工作范围（2.7～6.0V），电源抗干扰能力强。

所以，AVR单片机和8051单片机有所不同，开发设备也不通用。AVR的纳秒级指令运行速度是8051处理器的50倍，是一款真正的8位高速单片机。

4.C8051Fxxx系列高速单片机

Cygnal公司推出的C8051F系列单片机，其指令集与MCS-51兼容，弥补了8051系列单片机速度慢、内部资源少的不足。

C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它在单片机内集成了很多数据采集或系统控制所需要的功能部件。这些功能部件包括：8～64KB的Flash存储器、ADC、DAC、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、内部振荡器、看门狗定时器、电源监视器及20个中断源等。这些部件的高集成度为设计小体积、低功耗、高可靠、高性能的应用系统提供了便利，同时也极大地降低了系统的成本。C8051F系列单片机运行速度在25MIPS以上，工作电压2.7～3.6V，I/O、RST、JTAG引脚均允许输入5V电压，典型工作电流10mA，睡眠方式下电流0.1μA。

C8051F12x系列单片机中资源丰富、功能多、运算速度快（可达到100MIPS），标准的8051单片机一个机器周期要占用12个系统时钟周期，执行一条指令最少要1个机器周期。C8051F系列单片机指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的12个时钟周期降为1个时钟周期，指令处理能力比MCS-51大大提高。CIP-51内核70%的指令执行是在1个或2个系统时钟周期内完成的，4条指令的执行只需4个以上时钟周期。CIP-51指令与MCS-51指令系统全兼容，共有111条指令。

因此，熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易掌握C8051F系列单片机的应用和软件移植。但是不能将8051的程序直接应用于C8051F单片机，因为这两种系列单片机的内部资源存在较大差异，不能完全移植照搬，必须经过“改良”（主要是初始化控制字的改写）后才能正确运行。

5.专用型单片机

就单片机的应用面来说，有通用型和专用型。通用型单片机的主要特点是：内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可覆盖多种应用要求。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可实现不同的功能。上述介绍的8051系列都是低功耗通用型单片机。

专用型单片机的主要特点是：针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计，设计时已使结构最简，软、硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。专用型单片机用途专一，出厂时已将程序一次性固化好，因此生产成本低。例如，电子表、电话机、电视机和空调里就嵌入了专用型单片机；Cypress公司推出的EZU SR-2100单片机，在8051内核的基础上增加了USB接口电路，可以专门用于USB串行接口通信；日立公司推出的H8/310系列单片机是用于制作IC卡的专用8位单片机。

1.5.2 Motorola内核的单片机

在单片机家族中，8051系列单片机一直扮演着重要的角色，在教学及科研等领域已经成为单片机入门应用的首选，该产品以其易读性好、扩展能力强而著称，从而成为广大单片机开发者最熟悉、最具代表性的机型。由于8051系列单片机在运算速度、功耗、内部资源等方面略有不足，所以人们往往在熟悉8051系列单片机之后，又会选择其他系列单片机去开发电子产品。

Motorola公司是世界上最大的单片机厂商之一，从M6800开始，推出了众多品种的单片机。其中MC68H系列单片机MC68HC05和MC68HC08是两个典型的、应用广泛的8位单片机。其电压范围为3.3～5.0V，正常工作电流大约为2mA，等待方式电流为0.5～1mA，停止方式电流为1～2μA，总线速度为2.1～4MHz，I/O口驱动能力为20mA。

MC68HC05采用HCMOS工艺制造，是一种高性能、低功耗的8位单片机，内部有64～920KBRAM、0.9～32KBEPROM或E2PROM和各种I/O接口，有的还集成了A/D、PWM、COP监视定时器，以及SPI、I2C、USB、CAN等串行接口，适用于家电、消费产品、仪器仪表和工业控制系统中。

MC68HC08系列单片机是在MC68HC05的基础上改进的8位单片机，采用0.35μm工艺，具有速度更快（总线速度8MHz）、价格低、功耗小、功能强等优点，其Flash存储器比MC68HC05具有更高的性价比。这个系列单片机包括GP、JL和XL通用型，汽车控制的AZ型，模糊控制的KX、KJ型，马达控制MR型，电话用的W型，以及DSP型、家用消费型、智能IC卡型和LCD驱动型等。

Motorola单片机在同样速度下所用的时钟频率比Intel公司的单片机低很多，因此高频噪声低、抗干扰能力强，更适用于工控领域等恶劣环境，是一种很有应用前景的单片机。

1.5.3 PIC内核的单片机

PIC系列单片机是Microchip公司制造的一款8位单片机，采用RISC指令集（指令系统和开发工具与8051系列不同），仅有33条指令，指令最短执行时间为160ns，功耗较低（在5V，4MHz振荡频率时工作电流＜2mA），可采用降低工作频率的方法降低功耗，睡眠方式下电流小于15μA，工作电压为2.5～6V，带负载能力强，每个I/O接口可提供20mA拉电流或25mA灌电流。由于其超小型、低功耗、低成本、多品种等特点，已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、通信、家电、玩具等领域。

PIC系列单片机价格低、性能高，在国内应用得越来越多，目前已形成低档、中档、高档和高性能系列单片机，分别对应PIC16C5x、PIC16Cxx、PIC17Cxx和PIC18Cxxx系列。其中PIC17Cxx系列是目前工业用单片机中速度最快的单片机，具有16位字宽的RISC指令系统（只有58条指令），时钟频率可至25MHz，指令周期可达160ns，片内集成了丰富的硬件资源。PIC18Cxxx系列是集高性能、CMOS、全静态、模/数转换器于一体的16位单片机（价格与8位单片机相当），具有嵌入分层控制能力，内部包含灵活的OTP存储器和先进的模拟功能，可为用户提供完美的片上系统解决方案。

1.5.4 其他公司8位单片机

除上述单片机外，还有各式各样的单片机，如Micon公司的MDT20xx系列单片机是工业级OTP单片机，它与PIC单片机引脚完全兼容，海尔电冰箱、TCL通信产品和长安奥拓、铃木轿车等设备的功率分配器就是使用的这款单片机。

TOSHIBA公司的单片机允许使用慢模式，采用32kHz时钟，功耗可降至10μA数量级，其种类齐全，4位机在家电领域占有很大市场，8位机主要包含870系列和90系列。东芝公司的32位单片机采用MIPS3000A RISC的CPU结构，适用于VCD、数码相机和图像处理等方面。

Z8是Zilog公司的单片机，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，开发工具价廉物美。Z8单片机采用低价位手段面向低端市场应用。

EPSON公司的单片机以低电压、低功耗和内置LCD驱动器等特点闻名于世。目前已推出4位SMC62、SMC63系列和8位SMC88系列单片机，广泛应用于工业控制、医疗设备、家用电器、仪器仪表、通信设备和手持式消费产品等领域。

COP8单片机是NS公司的产品，其内部集成了16位A/D转换器，在多路看门狗和STOP工作方式下，单片机的唤醒方式很有特色，程序加密性很强。

Scenix公司推出的8位RISC结构的SX系列单片机和Intel的Pentium II等产品被Electronic Industry Yearbook 1998评选为1998年世界十大处理器。SX系列采用双时钟设置，指令运行速度可达50、75、100MIPS，具有虚拟外设功能，可柔性化I/O接口，所有I/O接口都可单独编程设定。提供各种编程函数库，用于实现各种模块功能，如多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FS和LCD驱动等。内含E2PROM/Flash程序存储器，可进行在线编程和仿真。

Chipcon先锋公司推出了全新概念的新一代ZigBee无线单片机CC2430/CC2431系列和短距离通信的新一代无线单片机CC2510/CC1110系列；这些以经典8051微处理器为内核的无线单片机，也称射频SoC（片上系统），以其优异的无线性能、超低功耗、超低成本，在单片机技术领域开创了单片机无线化和无线网络化的全新时代，采用这些新型无线单片机，进行无线通信、RFID产品等产品设计，是开发低成本、低功耗单片机应用产品的理想方案。

三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。三星公司在单片机技术上以引进消化发达国家的技术、生产与之兼容的产品，然后以价格优势取胜。例如，在4位机上采用NEC的技术，8位机引进Z8的技术，在32位机上购买ARM7内核。三星的OTP型具有ISP在线编程功能，其单片机裸片的价格有相当的竞争力。

LG公司生产的GM90系列单片机与8051单片机兼容，多用于电话机、智能传感器、电度表、工业控制、防盗报警装置、各种计费器、各种IC卡装置、VCD、DVD及CD-ROM等领域。

此外，HITACHI、SIEMENS、NEC、富士通等公司的单片机，都具有各自的特点和体系结构。