51单片机和32单片机的比较分析

简介：

单片机IO口控制速度是指，在程序中对单片机的某个IO口操作，IO口需要多少时间才能真正的执行，这个数值很重要，因为在某些场合，比如刷屏，如果IO口速度够高，就能提高屏幕的刷新速度。有些场合，比如STC89C52单片机能不能驱动WS2812，这个也是要看WS2812的IO口操作速度的。下图为被测双方的合影留念。两个PCB，一个是2022年10月的作品，一个是2020年4月的作品。

1,测试对象

本文使用51单片机和32单片机进行比较。

51单片机选择STC8H8K64U-LQFP48，使用内部IRC时钟，主频设定为45MHz。

32单片机选择STM32F103VET6-LQFP100，使用外部8MHz时钟，内部倍频后主频为72MHz。

2,测试方法

使用KEIL编写代码，程序主循环while(1)内，写IO=1，IO=0;的翻转程序，连续写多个，降低while(1)执行对程序的干扰。使用示波器测量IO口的波形，测得结果后分析代码的汇编部分，，和测得结果对比分析，得出结论。

3,51单片机测试

使用STC8H8K64U单片机，单片机初始化阶段设置IO口为准双向，进行一些必要的初始化后，单片机一直执行while1的内容，代码如下。

测试引脚为P07引脚，代码中连续写了多个IO口翻转赋值指令。大概20条指令，能让IO口翻转20次，周期计数为10。因为主循环是一直执行的，所以一秒内可以执行很多次。

使用STC-ISP软件，设定本次下载需要修改硬件选项，调整IRC频率，手动输入数字45即可，将代码下载进单片机。

代码下载进单片机后，使用示波器连接单片机P07口，读取示波器的数据。测试结果如下图，频率22.5MHz（频率一直变化，选取最大值），我们看到此时的波形，不是方波，也不是正弦，接近正弦，此时应该是频率太高导致的。不过信号频率还是达到了主频，也就是45M的一半。因为频率计算，是高电平加低电平一起的倒数，所以就是主频的一半了。

当前测试说明STC8H单片机的IO口操作速度是主频。

4,51单片机测试分析

上述测试说明STC8单片机操作IO口的指令为但时钟周期操作，这个也是可以通过KEIL调试验证的，KEIL设置debug使用simulator，然后进入debug模式，就能看到汇编代码了。

因为单片机实际执行的内容就是机器语言，基本等于汇编，我们通过观察汇编，就能知道单片机执行了多少条指令，这个观察C语言是看不出来的。

上图截取的就是主循环的C代码和汇编的混合显示，C语言为我们实际编辑界面的内容，汇编代码则是编译器将C语言编译生成的。

While1的下面是没有汇编代码的，while1对应的代码是在最后一行，SJMP C:165B，这个汇编代码就是让CPU跳转到0X165B的地址执行程序，也就是循环的开始位置。

然后我们看到P07=0；P07=1；的C语言代码，对应的汇编代码则是CLR P07,SETB,P07，这两条执行，都是单时钟周期的指令。所以STC8H单片机IO口的操作速度和实际最高输出速度可以达到主频的速度。

5,32单片机测试

使用STM32F103VET6单片机进行测试，因为32单片机我使用的不多，所以测试起来比51单片机内容多不少，如果下文内容有误，感谢指出。

32单片机有库函数，寄存器开发，我选的一个寄存器开发的闪烁LED程序进行测试。首先就是IO口的初始化，我这里使用的PA0口进行测试，设置PA0口推挽输出，同时为高电平

然后是主函数部分，主循环部分，我测试了3种不同的赋值方式，

第一种是PAout(0)=0;PAout(0)=1;示波器测得频率为6M，那说明32单片机使用此种方式操作IO口的速度是12M，也就是6个时钟周期（72M/12M）

然后我又使用了初始化那里的赋值操作，GPIOA->ODR=1;GPIOA->ODR=0;这里应该是对整个P口赋值，这个具体我没有研究过，反正是PA0口肯定实现了0,1变换。此时示波器测得频率18Mhz,此时的波形和方波比较，失真了不少，快变成正弦波了。那么操作IO口的速度则是36Mhz，也就是2个时钟周期

第三种操作方法：GPIOA->BSRR=1;GPIOA->BRR=1;这个操作方法我不熟悉，示波器测试了一下速度，12M，那么操作IO口的速度是24M，也就是3个时钟周期。

6,32单片机测试分析

32单片机比51单片机复杂不少，操作方式也很多，上边测试，使用了3种代码，速度都不一样，那这里只分析速度最快的那个，也就是2个时钟就能操作IO口的代码。

首先看一下while1，这个while1有两个，一个是C语言代码中的位置，有两条指令。

一个是B 0x080005A0，这个地址是循环结束位置的地址，

另一个是B 0x08000526，这个地址是循环开始的地址，这两个应该是成对出现的。

我们看一下IO口赋值部分，前6次赋值，对应的是13条汇编指令，后边的6次赋值，都是12条指令，多了一个LDR r1，[PC,#120];@0x080005A4，这条指令应该是定位PA口的，之后对PA口操作，不需要再定位。这条指令执行需要多少时钟周期暂不清楚

每次IO口赋值，通用的两个指令是

0x0800059C 2000MOVS r0,#0x00

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

第一个指令是给寄存器r0赋值，第二个指令应该是把r0寄存器的内容传给r1对应的位置，去实现IO口操作。这里暂时就这么理解了，暂时不想去研究STM32的内容。

这两个指令，应该都是单时钟周期指令（由实验结果得出）。

所以STM32单片机操作的IO口速度能达到主频速度的一半，但是又达不到，因为每次给IO口写数据，还需要先定位到IO口，（这个我不清楚是否可以直接操作IO口，像51单片机那样）这个定位，也是需要时间的，一把情况下，我们可能会来回操作几个IO口，不知道编译器能否在操作其他IO口是，还保留r1，申请新的寄存器。因为不少程序，比如模拟SPI，是需要操作好几个IO口的，时钟引脚和数据引脚使用和切换的很频繁。

目前暂定STM32单片机操作IO口速度最高为2个时钟周期。

7,测试总结

STC8H8K64U单片机，45M主频，IO口翻转速度可达22.5MHz，单片机操作IO口速度为45MHz。

STM32F103VET6单片机，72M主频，IO口翻转速度可达18MHz，单片机操作IO口速度为36MHz。

这个频率已经很高了，目前输出的波形已经失真了。所以得出的结论是51操作IO口速度是和STM32相当的（在本测试条件的情况下）

本测试条件是指：STC8H8K单片机45M频率（基本是最高频率），STM32F103,72M频率，这个应该是常用的频率。

STC的51单片机呢，除了古老的STC89/STC90系列，基本都是单时钟周期操作。（STC32G也是单时钟周期）

STC89/90系列，在使用12M外置晶振的情况下，下载的时候设置双倍速，操作IO口的速度为2M，使用更高频率的外置晶振可以达到更高的IO口操作速度。

当然了，51单片机也有主频上百M的（某些厂家的某些型号），32单片机主频上百M的更多。当单片机主频足够高的时候，他们往往是为了提高运算速度，而非IO口的操作速度。当然IO口的操作速度也会提升。

8,结语

本文好像写了什么，又好像啥也没写，操作IO口最为一个基础的指令，难道不就是一个时钟就能完成吗？我也是这么觉得的。但是实际测试结果，51单片机可以，32单片机不行。但是32单片机运行的频率够高，所以最终的速度相当。

那么就有下一个问题了，既然速度相当，为啥不少人觉得51单片机太菜呢，这里的太菜应该是指STC89C52，我也觉得他很菜，所以我也很少去用。现在的51基本都可以单时钟周期了，不少指令的执行速度大大提升，性能比古老的51提高很多了。这也就是不少人还能接受和使用51单片机的一个原因。

那既然51单片机速度可以这么快了，那为啥还比不上32单片机呢？

51单片机的速度提升呢，他是在8位数据的范围内，但实际情况，我们要操作16位数据，32位数据，去运算，这一点51单片机是不能直接运算的，是通过将这些运算转换为8位的运算去计算的，这样一个计算，就需要好多条指令才能完成。

如果你需要大量的计算，建议选位数多的32位单片机。

如果你就是操作IO口完成一些内容，不需要大量的计算，51单片机可以完成。当然了，基于惯性原因，使用32单片机的可能还是选择32单片机（选择一些低价，高性价比的）