1.2 主流单片机系列简介
单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用很广，发展很快。随着集成电路的发展，单片机已发展到8位、16位、32位，根据近年来的使用情况看，8位单片机使用率最高，其次是32位。这里仅对部分主流的单片机系列进行介绍。
1.2.1 基于MCS-51内核的单片机
MCS-51系列单片机是20世纪80年代由Intel公司推出的8位单片机系列。其代表产品型号是80C51，具有1个8位CPU、4KB ROM存储器、128B RAM存储器、32位I/O、2个定时/计数器、1个UART和1个含有5个中断源的中断系统。但后来Intel公司改变了市场方向，专注于通用微型计算机CPU的设计生产，便通过技术转让和技术交换的方式，将自己的单片机内核转让给其他公司使用，所以在市场上可以看到很多基于MCS-51内核的单片机。最典型的就是Atmel公司的AT89系列单片机。AT89系列单片机的引脚和80C51是一样的，可以直接进行代换，新增加型号的功能是向下兼容的。AT89系列单片机最突出的优点是采用快擦写存储器。
1.Atmel公司的AT89系列
Atmel公司通过技术交换取得了MCS-51的内核使用权，率先把MCS-51的内核与其擅长的Flash ROM技术相结合，推出了AT89系列单片机。Atmel公司所生产的AT89系列单片机，是与8051兼容且内部含有Flash存储器（闪速存储器）的单片机。它是一种来源于8051而又优于8051的系列，是目前主流的MCS-51内核单片机系列。
Flash存储器的使用加速了单片机技术的发展，基于Flash存储器的ISP/IAP（在系统可编程/在现场可编程）技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件，是8051单片机技术发展的一次重大飞跃。
AT89系列单片机的主要特点如下：
1）内部含Flash存储器。由于内部含Flash存储器，因此在应用系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，这就大大缩短了应用系统的开发周期。
2）与80C51引脚兼容。AT89系列单片机的引脚与80C51是兼容的，所以，当用AT89系列单片机取代80C51时，可以直接进行代换。这时，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的AT89系列单片机取代80C51的单片机即可。
3）错误编程亦无废品产生。一般的OTP（One Time Program）产品，一旦错误编程就成了废品。而AT89系列单片机内部采用了Flash存储器，错误编程之后仍可以重新编程，直到正确为止，故不存在废品。
4）可在系统编程。AT89Sxx系列产品提供了一个通过SPI串行接口对内部程序存储器在系统编程ISP，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。
AT89系列单片机拥有着较庞大的家族系列，每一系列下又有多种型号，而且每一个型号下还有多个具体的型号供用户选择。由于IC制造技术及单片机技术的迅速发展，新的功能更全、性能更好的单片机应运而生，使一些早期的单片机产品渐渐退出市场。为了保证早期开发的产品及应用的设备继续使用，Atmel公司新推出的产品都会考虑与同类型早期产品的兼容性。有些早期的产品不推荐在新的产品设计中应用，可用替代产品，新产品设计中建议使用推荐产品。表1-1列出了部分Atmel公司单片机替代产品及推荐产品。
表1-1 Atmel公司单片机替代产品及推荐产品
①不推荐在新的产品设计中应用，可用替代产品。
②新产品设计中建议使用推荐产品。
2.Silicon Lab公司的C8051系列
Silicon Lab公司的C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SoC（System On Chip），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，C8051F系列单片机采用具有专利的CIP-51内核，与MCS-51指令系统全兼容，运行速度高达25MIPS，除具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。
C8051F系列单片机的功能部件包括：
1）模拟多路选择器。
2）可编程增益放大器。
3）ADC（模-数转换器）、DAC（数-模转换器）。
4）电压比较器、电压基准温度传感器。
5）I2C、UART、SPI。
6）可编程计数器/定时器阵列PCA。
7）定时器数字I/O端口。
8）电源监视器、看门狗定时器WDT。
9）时钟振荡器等。
所有器件都有内置的Flash存储器和256B的内部RAM，有些器件还可以访问外部数据存储器。有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设，以节省功耗。Flash存储器还具有在线重新编程的能力，既可用于程序存储器，又可用于非易失性数据存储应用程序。
C8051F单片机在以下3个方面有突出性能：
1）采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度。在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。
2）I/O从固定方式到交叉开关配置。在C8051F中，采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口，内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。
3）从系统时钟到时钟系统。C8051F提供了一个完整而先进的时钟系统。在这个系统中，片内设置有一个可编程的时钟振荡器（无须外部器件），可提供2MHz、4MHz、8MHz和16MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出除供片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出。
C8051F系列单片机是真正能独立工作的片上系统SoC，表1-2列出了C8051F12x/13x单片机主要产品。
表1-2 Silabs公司C8051F12x/13x单片机主要产品
3.Philips公司的增强型80C51系列和LPC系列
Philips公司首先购买了8051内核的使用权，在此基础上增加具有自身特点的I2C总线，推出了一系列增强型80C51系列单片机和LPC系列单片机。
Philips公司的8位单片机产品具有如下特点：
1）除了基本的中断功能之外特别增加了一个4级中断优先级。
2）可以通过关闭不用的ALE，大大改善单片机的EMI电磁兼容性能。不仅可以在上电初始化时静态关闭ALE，还可以在运行中动态关闭ALE。
3）很多品种具有6/12 Clock时钟频率切换功能，不仅可以在上电初始化时静态切换6/12 Clock，还可以在运行中动态切换6/12 Clock。因此Philips单片机只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能。
4）特有双DPTR指针，使设计查表程序更加灵活、方便。
5）UART串行口增加了从地址自动识别和帧错误检测功能，特别适合单片机的多机通信。
6）可提供1.8～3.3V供电电源，适合便携式产品。
7）LPC系列十分适用于要求低功耗、低价格、小引脚的应用场合。这是Philips单片机主要的发展趋势。
8）Philips 80C51系列单片机均有3个定时/计数器。
表1-3列出了Philips公司LPC900系列单片机主要芯片及特性。
表1-3 Philips公司LPC900系列单片机主要芯片及特性
1.2.2 TI公司的MSP430系列单片机
TI公司（Texas Instrument，美国德州仪器公司）生产的MSP430系列是一种超低功耗类型的单片机，它的最主要特点是超低功耗，可长时间用电池工作，特别适合应用电池的设备或手持设备。同时，该系列将大量的外围模块整合到片内，也特别适合设计片上系统。
MSP430有丰富的不同型号器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。MSP430具有16位CPU，属于16位单片机。它采用16位的精简指令集结构，有大量的工作寄存器与大量的数据存储器（目前最大2KB RAM），其RAM单元也可以实现运算。应该说，MSP430系列在众多单片机系列中是颇具特色的。
MSP430系列单片机具有以下特点：
1）低电压、超低功耗。MSP430系列单片机能够实现在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流为0.1～400μA（因不同的工作模式而不同）；同时能够在实现液晶显示的情况下，也只耗电0.8μA。具有16个中断源，可以任意嵌套，用中断请求将CPU唤醒只需要6μs，在只有RAM数据保持的低功能模式下耗电0.1μA。由于它的超低功耗的显著特点，目前是国内用量最大的16位单片机。
2）处理能力强。CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430单片机能够达到最高的代码效率，具有多种寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条指令以及大量的模拟指令；寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；在频率8MHz下，指令周期为125μs。在多功能的硬件乘法器（能实现乘加法）配合下甚至能实现数字信号处理器的某些算法（如FFT等）功能。
3）片内资源丰富。MSP430系列单片机集成了丰富的片内外设，包括看门狗（WDT）、定时器A（Timer A）、定时器B（Timer B）、模拟比较器、串行口0～1（USART 0～1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10/12/14位ADC、端口0～6（P0～P6）和基本定时器（Base Timer）等外围模块。
1.2.3 Microchip公司的PIC系列单片机
美国Microchip公司的PIC系列单片机采用精简指令集RISC、哈佛总线结构、2级流水线取指令方式，使指令具有单字节的特性，具有实用、低价、指令集小、简单、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点，体现了单片机发展的一种新趋势。
PIC系列单片机可分为基本级、中级和高级3个系列产品。用户可根据需要选择不同档次和不同功能的芯片，通常无须外扩程序存储器、数据存储器和A-D转换器等外部芯片。
PIC系列单片机具有以下特点：
1）品种多，容易开发，PIC采用精简指令集，指令少（仅30多条指令），且全部为单字长指令，易学易用。PIC系列单片机中的数据总线是8位的，而指令总线则有12位（基本级产品）、14位（中级产品）和16位（高级产品）。低、中、高产品的指令数量分别为33、37、58条。在各档产品的指令中，其指令码向上兼容。
2）执行速度快。PIC的哈佛总线和RISC结构建立了一种新的工业标准，指令的执行速度比一般的单片机要快4～5倍。
3）功耗低。PIC的CMOS设计结合了诸多的节电特性，使其功耗较低。PIC 100%的静态设计可进入休眠（Sleep）省电状态，而不影响任何逻辑变量。
4）实用性强。PIC配备有多种形式的芯片，特别是OTP型芯片的价格很低。
5）增加了掉电复位锁定、上电复位（POR）以及看门狗（WDT）等电路，大大减少外围器件的数量。
1.2.4 Atmel公司的AVR系列单片机
Atmel公司的AVR单片机是目前较新的单片机系列之一，其突出的特点在于速度高、片内硬件资源丰富、功能比较强。
AVR系列单片机的主要优点如下：
1）程序存储器采用Flash技术。16位指令，每条指令执行时间可达50 ns（20MHz）。
2）功耗低，具有Sleep（休眠）功能。
3）具有大电流（灌电流）10～20mA或40mA输出，可直接驱动SSR或继电器；有看门狗定时器（WTD），提高了产品的抗干扰能力。
4）具有32个通用工作寄存器，相当于有32个累加器，避免了传统的一个累加器和存储器之间的数据传送造成的瓶颈现象。
5）具有在线下载功能。
6）单片机内有模拟比较器，I/O口可做A-D转换用，可组成廉价的转换器。
7）部分AVR器件具有内部RC振荡器，可提供1MHz的工作频率。
8）计数/定时器增加了PWM输出，也可作为D-A用于控制输出。
1.2.5 基于ARM芯核的32位单片机
这类单片机主要是指以ARM（Advanced RISC Machines）公司设计为核心的32位RISC嵌入式CPU芯片的单片机。ARM提供一系列IP（Intelligence Property）内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于其设计的芯片核具有功耗低、成本低等显著优点，因而获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大成功，目前32位RISC嵌入式产品市场占有率很高，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。
采用RISC架构的ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定等特点。
ARM微处理器目前包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Inter的Xscale、Inter的StrongARM几个系列，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。