51單片機和32單片機的比較分析

簡介：

單片機IO口控制速度是指，在程序中對單片機的某個IO口操作，IO口需要多少時間才能真正的執(zhí)行，這個數(shù)值很重要，因為在某些場合，比如刷屏，如果IO口速度夠高，就能提高屏幕的刷新速度。有些場合，比如STC89C52單片機能不能驅(qū)動WS2812，這個也是要看WS2812的IO口操作速度的。下圖為被測雙方的合影留念。兩個PCB，一個是2022年10月的作品，一個是2020年4月的作品。

1,測試對象

本文使用51單片機和32單片機進行比較。

51單片機選擇STC8H8K64U-LQFP48，使用內(nèi)部IRC時鐘，主頻設(shè)定為45MHz。

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

2,測試方法

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，降低while(1)執(zhí)行對程序的干擾。使用示波器測量IO口的波形，測得結(jié)果后分析代碼的匯編部分，，和測得結(jié)果對比分析，得出結(jié)論。

3,51單片機測試

使用STC8H8K64U單片機，單片機初始化階段設(shè)置IO口為準(zhǔn)雙向，進行一些必要的初始化后，單片機一直執(zhí)行while1的內(nèi)容，代碼如下。

測試引腳為P07引腳，代碼中連續(xù)寫了多個IO口翻轉(zhuǎn)賦值指令。大概20條指令，能讓IO口翻轉(zhuǎn)20次，周期計數(shù)為10。因為主循環(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，調(diào)整IRC頻率，手動輸入數(shù)字45即可，將代碼下載進單片機。

代碼下載進單片機后，使用示波器連接單片機P07口，讀取示波器的數(shù)據(jù)。測試結(jié)果如下圖，頻率22.5MHz（頻率一直變化，選取最大值），我們看到此時的波形，不是方波，也不是正弦，接近正弦，此時應(yīng)該是頻率太高導(dǎo)致的。不過信號頻率還是達(dá)到了主頻，也就是45M的一半。因為頻率計算，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)前測試說明STC8H單片機的IO口操作速度是主頻。

4,51單片機測試分析

上述測試說明STC8單片機操作IO口的指令為但時鐘周期操作，這個也是可以通過KEIL調(diào)試驗證的，KEIL設(shè)置debug使用simulator，然后進入debug模式，就能看到匯編代碼了。

因為單片機實際執(zhí)行的內(nèi)容就是機器語言，基本等于匯編，我們通過觀察匯編，就能知道單片機執(zhí)行了多少條指令，這個觀察C語言是看不出來的。

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

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

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

5,32單片機測試

使用STM32F103VET6單片機進行測試，因為32單片機我使用的不多，所以測試起來比51單片機內(nèi)容多不少，如果下文內(nèi)容有誤，感謝指出。

32單片機有庫函數(shù)，寄存器開發(fā)，我選的一個寄存器開發(fā)的閃爍LED程序進行測試。首先就是IO口的初始化，我這里使用的PA0口進行測試，設(shè)置PA0口推挽輸出，同時為高電平

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

第一種是PAout(0)=0;PAout(0)=1;示波器測得頻率為6M，那說明32單片機使用此種方式操作IO口的速度是12M，也就是6個時鐘周期（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)該是對整個P口賦值，這個具體我沒有研究過，反正是PA0口肯定實現(xiàn)了0,1變換。此時示波器測得頻率18Mhz,此時的波形和方波比較，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個時鐘周期

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

6,32單片機測試分析

32單片機比51單片機復(fù)雜不少，操作方式也很多，上邊測試，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，也就是2個時鐘就能操作IO口的代碼。

首先看一下while1，這個while1有兩個，一個是C語言代碼中的位置，有兩條指令。

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

另一個是B 0x08000526，這個地址是循環(huán)開始的地址，這兩個應(yīng)該是成對出現(xiàn)的。

我們看一下IO口賦值部分，前6次賦值，對應(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LDR r1，[PC,#120];@0x080005A4，這條指令應(yīng)該是定位PA口的，之后對PA口操作，不需要再定位。這條指令執(zhí)行需要多少時鐘周期暫不清楚

每次IO口賦值，通用的兩個指令是

0x0800059C 2000MOVS r0,#0x00

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

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

這兩個指令，應(yīng)該都是單時鐘周期指令（由實驗結(jié)果得出）。

所以STM32單片機操作的IO口速度能達(dá)到主頻速度的一半，但是又達(dá)不到，因為每次給IO口寫數(shù)據(jù)，還需要先定位到IO口，（這個我不清楚是否可以直接操作IO口，像51單片機那樣）這個定位，也是需要時間的，一把情況下，我們可能會來回操作幾個IO口，不知道編譯器能否在操作其他IO口是，還保留r1，申請新的寄存器。因為不少程序，比如模擬SPI，是需要操作好幾個IO口的，時鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳使用和切換的很頻繁。

目前暫定STM32單片機操作IO口速度最高為2個時鐘周期。

7,測試總結(jié)

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

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

這個頻率已經(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試條件的情況下）

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

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

STC89/90系列，在使用12M外置晶振的情況下，下載的時候設(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單片機也有主頻上百M的（某些廠家的某些型號），32單片機主頻上百M的更多。當(dāng)單片機主頻足夠高的時候，他們往往是為了提高運算速度，而非IO口的操作速度。當(dāng)然IO口的操作速度也會提升。

8,結(jié)語

本文好像寫了什么，又好像啥也沒寫，操作IO口最為一個基礎(chǔ)的指令，難道不就是一個時鐘就能完成嗎？我也是這么覺得的。但是實際測試結(jié)果，51單片機可以，32單片機不行。但是32單片機運行的頻率夠高，所以最終的速度相當(dāng)。

那么就有下一個問題了，既然速度相當(dāng)，為啥不少人覺得51單片機太菜呢，這里的太菜應(yīng)該是指STC89C52，我也覺得他很菜，所以我也很少去用?，F(xiàn)在的51基本都可以單時鐘周期了，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單片機的一個原因。

那既然51單片機速度可以這么快了，那為啥還比不上32單片機呢？

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

如果你需要大量的計算，建議選位數(shù)多的32位單片機。

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