物联网实验教程-硬件环境介绍

单片机按照CPU处理数据的位宽可分为4位、8位和16位机。1971年Intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器Intel 4004，主要应用在工业控制领域。随着工艺的发展，出现了更高性能的单片机，4位单片机的市场逐步缩小。8位单片机则由于内部构造简单、体积小、成本低等优势，应用更为广泛。即便到了21世纪，8位单片机在单片机的应用中仍占有相当的份额。16位单片机虽然计算能力和功能比8位要强得多，但由于成本和应用场合的限制，尤其是近年来嵌入式ARM技术的发展进一步挤占了16位单片机的应用空间，因此目前16位单片机的应用并不如8位单片机那样广泛。

目前，世界各大电子电器公司基本上都有自己的单片机系列产品，如三星公司的KS86和KS88系列8位单片机，Philips公司的P89C51系列8位单片机，Atmel公司的AT89系列8位单片机等。目前，在物联网领域应用较为广泛的有TI公司的MSP430系列，Atmel公司的AVR系列、51系列，Microchip公司的PIC系列等。除了单片机含有的外设种类和数量存在一定差异外，处理器核的差异是体现这些单片机性能差异的主要原因。

1.51系列

应用最广泛的8位单片机当首推Intel公司的51系列。由于该产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，存在着先入为主的优势，因此在我国得到了广泛应用。许多芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能和功能上的扩充（如加入片内Flash、各种丰富的外设等），使得芯片功能和种类得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，并随着应用需求而不断升级。从学习者的角度来说，51系列最大的好处莫过于其设计的标准化。它有完备的地址总线和数据总线，便于外部扩展，指令处理方式基本与Intel公司高端处理器的处理方式一致，适合于学习及应用。

51系列单片机的另一个优点是它有一套完整的位处理器，或称为布尔处理器。其处理对象不是字或字节，而是位。布尔处理器不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某些位进行单独处理，如传送、置位、清零、测试位等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，对位运算的支持非常有力。相对而言，虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行单个位逻辑运算的实属少见，这为用户进行细粒度的开发提供了极大的方便。

51系列的第三个优点是具有硬件乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。虽然其乘除法指令受到运算精度的限制，但是相对而言，很多的8位单片机都不具备乘除法功能，只能用一段子程序来模拟实现乘除法，效率很低且十分不便。

当然，51单片机也有它的缺点。例如，对于传统的51单片机来说，最快的指令需要12个时钟周期，指令执行速度太慢；由于它采用了复杂指令集（CISC）结构，不利于流水线操作，因此执行效率较低。这些缺点与其他精简指令集（RISC）的单片机相比显得十分逊色。然而近年来，许多厂商争相推出6个时钟周期的51单片机，甚至单时钟周期的51单片机，还有厂商提供在线调试及编程（ISP）功能，给开发调试带来很大的便利。51单片机的生命周期又出现了新的生机，预计未来，51单片机仍会占据8位单片机的主要市场。

2.PIC系列

PIC单片机系列是Microchip公司的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。最近几年，PIC单片机尤其在消费类、安防控制类电子市场已经占有非常大的份额。

PIC单片机采用RISC结构，分别有33、35、58条指令，视其级别而定（而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，指令系统都更为复杂）。PIC单片机采用哈佛双总线结构，使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内同时完成指令执行和预取两部分工作，从而极大地加速了指令的执行效率。此外，它还具有低工作电压、低功耗等特点。(www.xing528.com)

PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。灌电流达25mA，拉电流可达20mA，有相当大的驱动能力，从而可以不用外部驱动电路就可以直接驱动数码管显示这样的设备，这无疑会给用户降低很多成本。

3.AVR系列

AVR单片机是Atmel公司推出的一款较为新颖的单片机，其显著特点为高性能、高速度和低功耗。它取消了机器周期，而以时钟周期为指令周期，实行流水作业，从而缩短指令的平均执行时间。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令，通常时钟频率范围为4～8MHz，ATmega128作为AVR系列单片机的代表被很多无线传感器网络节点所采用。

AVR单片机的通用寄存器共有32个（R0～R31），但前16个寄存器（R0～R15）都不能存储立即数，因而通用性有所下降。由于寄存器数量相对较少，因此当程序复杂时，通用寄存器就略显不足（与此相比，51系列的通用寄存器最多可达128个）。

AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，拉电流在10mA左右，灌电流为20mA。虽然，它在驱动能力上不如PIC，但比51系列强。

4.MSP430系列

MSP430系列单片机是16位单片机，采用了RISC结构，具有简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令。除片内大量的寄存器外，片内数据存储器也可参加多种运算。在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。片内多功能的硬件乘法器和优化的查表指令，使得在其上可以轻松实现数字信号处理的相关算法，如FFT算法等。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，因此使用时灵活方便。

MSP430单片机最大的特点当属其独特的低功耗性能。首先，电源电压为1.8～3.6V，在系统中有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0～LPM4）。在1MHz的时钟条件下活动模式运行时，芯片电流只有200～400µA；在等待方式下，耗电为0.7µA；在节电方式下，最低可达0.1µA。其低功耗特点的一个主要技术支撑在于其独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制和优化。因而采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。此外，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6µs。这也是MSP430单片机超低功耗的重要技术支撑点。

单片机是物联网，特别是无线传感器网络节点广泛使用的核心处理器，在物联网应用中不可避免要涉及。对于单片机型号的选择依赖于具体的物联网应用场景，应用对系统提出的主要参考指标包括速度、功耗、体积、外设种类、易用性等。作为用户，可以在满足功能及性能需求的前提下，结合自身的喜好而进行科学的选配。