51系列是應用最廣泛的單片機，由于產品硬件結構合理，指令系統規范，加之生產歷史“悠久”，有先入為主的優勢。世界有許多著名的芯片公司都購買了51芯片的核心專利技術，并在其基礎上進行性能上的擴充，使得芯片得到進一步的完善，形成了一個龐大的體系，直到現在仍在不斷翻新，把單片機世界炒得沸沸揚揚。

51系列的另一個優點是乘法和除法指令，這給編程也帶來了便利。八位除以八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用的較多。作乘法時，只需一條指令即可。很多的八位單片機都不具備乘法功能，作乘法時還得編上一段子程序調用，十分不便。

51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，但高電平時無輸出能力，可謂有利有弊。故其他系列的單片機(如PIC系列、AVR系列等)對I/O口進行了改進，增加了方向寄存器以確定輸入或輸出，但使用也變得復雜。

同時，原51系列也有許多值得改進之處，如運行速度過慢等。當晶振頻率為12MHz時，機器周期達1μs，顯然適應不了現代高速運行的需要。華邦公司(Winbond)生產的產品型號為W77系列和W78系列，W78系列與AT89C系列完全兼容。W77系列為增強型，對原有的8051的時序作了改進，每個機器周期從12個時鐘周期改為4個周期，使速度提高了三倍，同時，晶振頻率最高可達40MHz。W77系列還增加了看門狗WatchDog、兩組uART、兩組DVTR數據指針、ISP等多種功能。

PIC單片機CPU采用RISC結構，分別有33、35、58條指令(視單片機的級別而定)，屬精簡指令集。而51系列有111條指令，AVR單片機有118條指令，都比前者復雜。采用Haryard雙總線結構，運行速度快(指令周期約160～200nS)，它能使程序存儲器的訪問和數據存儲器的訪問并行處理，這種指令流水線結構，在一個周期內完成兩部分工作，一是執行指令，二是從程序存儲器取出下一條指令，這樣總的看來每條指令只需一個周期(個別除外)，這也是高效率運行的原因之一。此外，它還具有低工作電壓、低功耗、驅動能力強等特點。

該系列單片機的專用寄存器)并不像51系列那樣都集中在一個固定的地址區間內(80～FFH)，而是分散在四個地址區間內，即存儲體0(Bank0：00-7FH)、存儲體1(Bankl：80-FFH)、存儲體2(Bank2：100-17FH)、存儲體3(Bank3：180-1FFH)。只有5個專用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4個存儲體內同時出現。

在編程過程中，少不了要與專用寄存器打交道，得反復地選擇對應的存儲體，也即對狀態寄存器STATUS的第6位(RPl)和第5位(RPO)置位或清零。這多少給編程帶來了一些麻煩。對于上述的單片機，它的位指令操作通常限制在存儲體0區間(00～7FH)。數據的傳送和邏輯運算基本上都得通過工作寄存器w(相當于5l系列的累加器A)來進行，而51系列的還可以通過寄存器相互之間直接傳送(如：MOV30H，20H;將寄存器20H的內容直接傳送至寄存器30H中)，因而PIC單片機的瓶頸現象比51系列還要嚴重，這在編程中很有感受。

總線結構:MCS-51單片機的總線結構是馮-諾依曼型,計算機在同一個存儲空間取指令和數據,兩者不能同時進行;而PIC單片機的總線結構是哈佛結構,指令和數據空間是完全分開的,一個用于指令,一個用于數據,由于可以對程序和數據同時進行訪問,所以提高了數據吞吐率。正因為在PIC單片機中采用了哈佛雙總線結構，所以與常見的微控制器不同的一點是：程序和數據總線可以采用不同的寬度。數據總線都是8位的，但指令總線位數分別位12、14、16位。

流水線結構:MCS-51單片機的取指和執行采用單指令流水線結構,即取一條指令,執行完后再取下一條指令;而PIC的取指和執行采用雙指令流水線結構,當一條指令被執行時,允許下一條指令同時被取出,這樣就實現了單周期指令。寄存器組:PIC單片機的所有寄存器,包括I/O口,定時器和程序計數器等都采用RAM結構形式,而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作;而MCS-51單片機需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內容。

AVR單片機其顯著的特點為高性能、高速度、低功耗。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業。AVR單片機指令以字為單位，且大部分指令都為單周期指令。而單周期既可執行本指令功能，同時完成下一條指令的讀取。通用寄存器一共32個(RO-R31)，前16個寄存器(R0～R15)都不能直接與立即數打交道，因而通用性有所下降。而在5l系列中，它所有的通用寄存器(地址00-7FH)均可以直接與立即數打交道，顯然要優于前者。

AVR系列沒有類似累加器A的結構，它主要是通過R16～R31寄存器來實現A的功能。在AVR中，沒有像5l系列的數據指針DPTR，而是由X(由R26、R27組成)、Y(由R28、.R29組成)、z(由R30、R31組成)三個16位的寄存器來完成數據指針的功能(相當于有三組DPTR)，而且還能作后增量或先減量等的運行。在51系列中，所有的邏輯運算都必須在A中進行;而AVR卻可以在任兩個寄存器之間進行，省去了在A中的來回折騰，這些都比51系列強。