51單片機(jī)和32單片機(jī)的比較分析

簡(jiǎn)介：

單片機(jī)IO口控制速度是指，在程序中對(duì)單片機(jī)的某個(gè)IO口操作，IO口需要多少時(shí)間才能真正的執(zhí)行，這個(gè)數(shù)值很重要，因?yàn)樵谀承﹫?chǎng)合，比如刷屏，如果IO口速度夠高，就能提高屏幕的刷新速度。有些場(chǎng)合，比如STC89C52單片機(jī)能不能驅(qū)動(dòng)WS2812，這個(gè)也是要看WS2812的IO口操作速度的。下圖為被測(cè)雙方的合影留念。兩個(gè)PCB，一個(gè)是2022年10月的作品，一個(gè)是2020年4月的作品。

1,測(cè)試對(duì)象

本文使用51單片機(jī)和32單片機(jī)進(jìn)行比較。

51單片機(jī)選擇STC8H8K64U-LQFP48，使用內(nèi)部IRC時(shí)鐘，主頻設(shè)定為45MHz。

32單片機(jī)選擇STM32F103VET6-LQFP100，使用外部8MHz時(shí)鐘，內(nèi)部倍頻后主頻為72MHz。

2,測(cè)試方法

使用KEIL編寫代碼，程序主循環(huán)while(1)內(nèi)，寫IO=1，IO=0;的翻轉(zhuǎn)程序，連續(xù)寫多個(gè)，降低while(1)執(zhí)行對(duì)程序的干擾。使用示波器測(cè)量IO口的波形，測(cè)得結(jié)果后分析代碼的匯編部分，，和測(cè)得結(jié)果對(duì)比分析，得出結(jié)論。

3,51單片機(jī)測(cè)試

使用STC8H8K64U單片機(jī)，單片機(jī)初始化階段設(shè)置IO口為準(zhǔn)雙向，進(jìn)行一些必要的初始化后，單片機(jī)一直執(zhí)行while1的內(nèi)容，代碼如下。

測(cè)試引腳為P07引腳，代碼中連續(xù)寫了多個(gè)IO口翻轉(zhuǎn)賦值指令。大概20條指令，能讓IO口翻轉(zhuǎn)20次，周期計(jì)數(shù)為10。因?yàn)橹餮h(huán)是一直執(zhí)行的，所以一秒內(nèi)可以執(zhí)行很多次。

使用STC-ISP軟件，設(shè)定本次下載需要修改硬件選項(xiàng)，調(diào)整IRC頻率，手動(dòng)輸入數(shù)字45即可，將代碼下載進(jìn)單片機(jī)。

代碼下載進(jìn)單片機(jī)后，使用示波器連接單片機(jī)P07口，讀取示波器的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如下圖，頻率22.5MHz（頻率一直變化，選取最大值），我們看到此時(shí)的波形，不是方波，也不是正弦，接近正弦，此時(shí)應(yīng)該是頻率太高導(dǎo)致的。不過(guò)信號(hào)頻率還是達(dá)到了主頻，也就是45M的一半。因?yàn)轭l率計(jì)算，是高電平加低電平一起的倒數(shù)，所以就是主頻的一半了。

當(dāng)前測(cè)試說(shuō)明STC8H單片機(jī)的IO口操作速度是主頻。

4,51單片機(jī)測(cè)試分析

上述測(cè)試說(shuō)明STC8單片機(jī)操作IO口的指令為但時(shí)鐘周期操作，這個(gè)也是可以通過(guò)KEIL調(diào)試驗(yàn)證的，KEIL設(shè)置debug使用simulator，然后進(jìn)入debug模式，就能看到匯編代碼了。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)實(shí)際執(zhí)行的內(nèi)容就是機(jī)器語(yǔ)言，基本等于匯編，我們通過(guò)觀察匯編，就能知道單片機(jī)執(zhí)行了多少條指令，這個(gè)觀察C語(yǔ)言是看不出來(lái)的。

上圖截取的就是主循環(huán)的C代碼和匯編的混合顯示，C語(yǔ)言為我們實(shí)際編輯界面的內(nèi)容，匯編代碼則是編譯器將C語(yǔ)言編譯生成的。

While1的下面是沒(méi)有匯編代碼的，while1對(duì)應(yīng)的代碼是在最后一行，SJMP C:165B，這個(gè)匯編代碼就是讓CPU跳轉(zhuǎn)到0X165B的地址執(zhí)行程序，也就是循環(huán)的開(kāi)始位置。

然后我們看到P07=0；P07=1；的C語(yǔ)言代碼，對(duì)應(yīng)的匯編代碼則是CLR P07,SETB,P07，這兩條執(zhí)行，都是單時(shí)鐘周期的指令。所以STC8H單片機(jī)IO口的操作速度和實(shí)際最高輸出速度可以達(dá)到主頻的速度。

5,32單片機(jī)測(cè)試

使用STM32F103VET6單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)?2單片機(jī)我使用的不多，所以測(cè)試起來(lái)比51單片機(jī)內(nèi)容多不少，如果下文內(nèi)容有誤，感謝指出。

32單片機(jī)有庫(kù)函數(shù)，寄存器開(kāi)發(fā)，我選的一個(gè)寄存器開(kāi)發(fā)的閃爍LED程序進(jìn)行測(cè)試。首先就是IO口的初始化，我這里使用的PA0口進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置PA0口推挽輸出，同時(shí)為高電平

然后是主函數(shù)部分，主循環(huán)部分，我測(cè)試了3種不同的賦值方式，

第一種是PAout(0)=0;PAout(0)=1;示波器測(cè)得頻率為6M，那說(shuō)明32單片機(jī)使用此種方式操作IO口的速度是12M，也就是6個(gè)時(shí)鐘周期（72M/12M）

然后我又使用了初始化那里的賦值操作，GPIOA->ODR=1;GPIOA->ODR=0;這里應(yīng)該是對(duì)整個(gè)P口賦值，這個(gè)具體我沒(méi)有研究過(guò)，反正是PA0口肯定實(shí)現(xiàn)了0,1變換。此時(shí)示波器測(cè)得頻率18Mhz,此時(shí)的波形和方波比較，失真了不少，快變成正弦波了。那么操作IO口的速度則是36Mhz，也就是2個(gè)時(shí)鐘周期

第三種操作方法：GPIOA->BSRR=1;GPIOA->BRR=1;這個(gè)操作方法我不熟悉，示波器測(cè)試了一下速度，12M，那么操作IO口的速度是24M，也就是3個(gè)時(shí)鐘周期。

6,32單片機(jī)測(cè)試分析

32單片機(jī)比51單片機(jī)復(fù)雜不少，操作方式也很多，上邊測(cè)試，使用了3種代碼，速度都不一樣，那這里只分析速度最快的那個(gè)，也就是2個(gè)時(shí)鐘就能操作IO口的代碼。

首先看一下while1，這個(gè)while1有兩個(gè)，一個(gè)是C語(yǔ)言代碼中的位置，有兩條指令。

一個(gè)是B 0x080005A0，這個(gè)地址是循環(huán)結(jié)束位置的地址，

另一個(gè)是B 0x08000526，這個(gè)地址是循環(huán)開(kāi)始的地址，這兩個(gè)應(yīng)該是成對(duì)出現(xiàn)的。

我們看一下IO口賦值部分，前6次賦值，對(duì)應(yīng)的是13條匯編指令，后邊的6次賦值，都是12條指令，多了一個(gè)LDR r1，[PC,#120];@0x080005A4，這條指令應(yīng)該是定位PA口的，之后對(duì)PA口操作，不需要再定位。這條指令執(zhí)行需要多少時(shí)鐘周期暫不清楚

每次IO口賦值，通用的兩個(gè)指令是

0x0800059C 2000MOVS r0,#0x00

0x0800059E 6008STR r0,[r1,#0x00]

第一個(gè)指令是給寄存器r0賦值，第二個(gè)指令應(yīng)該是把r0寄存器的內(nèi)容傳給r1對(duì)應(yīng)的位置，去實(shí)現(xiàn)IO口操作。這里暫時(shí)就這么理解了，暫時(shí)不想去研究STM32的內(nèi)容。

這兩個(gè)指令，應(yīng)該都是單時(shí)鐘周期指令（由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出）。

所以STM32單片機(jī)操作的IO口速度能達(dá)到主頻速度的一半，但是又達(dá)不到，因?yàn)槊看谓oIO口寫數(shù)據(jù)，還需要先定位到IO口，（這個(gè)我不清楚是否可以直接操作IO口，像51單片機(jī)那樣）這個(gè)定位，也是需要時(shí)間的，一把情況下，我們可能會(huì)來(lái)回操作幾個(gè)IO口，不知道編譯器能否在操作其他IO口是，還保留r1，申請(qǐng)新的寄存器。因?yàn)椴簧俪绦?，比?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬SPI，是需要操作好幾個(gè)IO口的，時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳使用和切換的很頻繁。

目前暫定STM32單片機(jī)操作IO口速度最高為2個(gè)時(shí)鐘周期。

7,測(cè)試總結(jié)

STC8H8K64U單片機(jī)，45M主頻，IO口翻轉(zhuǎn)速度可達(dá)22.5MHz，單片機(jī)操作IO口速度為45MHz。

STM32F103VET6單片機(jī)，72M主頻，IO口翻轉(zhuǎn)速度可達(dá)18MHz，單片機(jī)操作IO口速度為36MHz。

這個(gè)頻率已經(jīng)很高了，目前輸出的波形已經(jīng)失真了。所以得出的結(jié)論是51操作IO口速度是和STM32相當(dāng)?shù)模ㄔ诒緶y(cè)試條件的情況下）

本測(cè)試條件是指：STC8H8K單片機(jī)45M頻率（基本是最高頻率），STM32F103,72M頻率，這個(gè)應(yīng)該是常用的頻率。

STC的51單片機(jī)呢，除了古老的STC89/STC90系列，基本都是單時(shí)鐘周期操作。（STC32G也是單時(shí)鐘周期）

STC89/90系列，在使用12M外置晶振的情況下，下載的時(shí)候設(shè)置雙倍速，操作IO口的速度為2M，使用更高頻率的外置晶振可以達(dá)到更高的IO口操作速度。

當(dāng)然了，51單片機(jī)也有主頻上百M(fèi)的（某些廠家的某些型號(hào)），32單片機(jī)主頻上百M(fèi)的更多。當(dāng)單片機(jī)主頻足夠高的時(shí)候，他們往往是為了提高運(yùn)算速度，而非IO口的操作速度。當(dāng)然IO口的操作速度也會(huì)提升。

8,結(jié)語(yǔ)

本文好像寫了什么，又好像啥也沒(méi)寫，操作IO口最為一個(gè)基礎(chǔ)的指令，難道不就是一個(gè)時(shí)鐘就能完成嗎？我也是這么覺(jué)得的。但是實(shí)際測(cè)試結(jié)果，51單片機(jī)可以，32單片機(jī)不行。但是32單片機(jī)運(yùn)行的頻率夠高，所以最終的速度相當(dāng)。

那么就有下一個(gè)問(wèn)題了，既然速度相當(dāng)，為啥不少人覺(jué)得51單片機(jī)太菜呢，這里的太菜應(yīng)該是指STC89C52，我也覺(jué)得他很菜，所以我也很少去用?，F(xiàn)在的51基本都可以單時(shí)鐘周期了，不少指令的執(zhí)行速度大大提升，性能比古老的51提高很多了。這也就是不少人還能接受和使用51單片機(jī)的一個(gè)原因。

那既然51單片機(jī)速度可以這么快了，那為啥還比不上32單片機(jī)呢？

51單片機(jī)的速度提升呢，他是在8位數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，但實(shí)際情況，我們要操作16位數(shù)據(jù)，32位數(shù)據(jù)，去運(yùn)算，這一點(diǎn)51單片機(jī)是不能直接運(yùn)算的，是通過(guò)將這些運(yùn)算轉(zhuǎn)換為8位的運(yùn)算去計(jì)算的，這樣一個(gè)計(jì)算，就需要好多條指令才能完成。

如果你需要大量的計(jì)算，建議選位數(shù)多的32位單片機(jī)。

如果你就是操作IO口完成一些內(nèi)容，不需要大量的計(jì)算，51單片機(jī)可以完成。當(dāng)然了，基于慣性原因，使用32單片機(jī)的可能還是選擇32單片機(jī)（選擇一些低價(jià)，高性價(jià)比的）