基于A(yíng)RM的32位MCU提供SoC設計參考

隨著(zhù)制造工藝的迅猛發(fā)展，mcu在外設集成、性能、功耗及降低成本方面都有了長(cháng)足的進(jìn)展，幾乎能提供與soc相類(lèi)似的性能，而且應用數量正日趨增長(cháng)。特別是基于arm的32位mcu，為soc設計人員提供了快速低廉的設計參考。

系統級芯片(soc)技術(shù)可以看作是專(zhuān)用集成電路(asic)的一種新的設計模式，較之a(chǎn)sic，其設計周期短，能為設計人員消除設計特殊應用時(shí)遇到的障礙。soc的性能接近于成熟的asic，不過(guò)它仍需要掩膜，并不能節省asic所需的大部分設計成本。

隨著(zhù)先進(jìn)的制造工藝將更多外設集成于芯片、降低功耗和提供更多的性能，asic和標準32位微控制器（mcu）的區別也在縮小。對于基于arm內核的微控制器而言，當集成了關(guān)鍵外設時(shí)，這種趨勢更加明顯。如采用0.18 m閃存工藝并支持高性能架構的mcu，為soc設計人員提供了很多設計幫助。

性能拓展

為了彌補產(chǎn)品在性能方面的不足，基于arm的lpc213x系列微控制器采用了多達4個(gè)32位的平行指令，也就是說(shuō)20 mhz或30 mhz存儲控制器不再需要cpu等待指令。arm的流水線(xiàn)架構使該技術(shù)能夠提供優(yōu)于其他實(shí)現方法近 4倍的性能。

外設

芯片上集成哪些外設是由應用決定的。微控制器系列針對不同的應用也集成了各種外設。 一個(gè)完整的微控制器系列可以滿(mǎn)足多種應用，例如機器人技術(shù)、水電氣表、非接觸式讀卡器、生產(chǎn)設備控制、環(huán)境控制和高壓交流系統（hvac）、醫療設備和安全系統等。lpc213x系列通過(guò)集成32k到512k字節片上閃存、若干個(gè)32位定時(shí)器、脈寬調制（pwm）、通用通信接口如uart、spi/ssp及i2c、單或雙10位8通道adc和10位dac等外設支持上述應用。lpc231x系列的架構框圖如圖1所示。

廣泛的通信接口和片上sram（8k、16k和32 k字節）使芯片成為網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉換器、軟件調制解調器、語(yǔ)音識別和低端成像器件的有力競爭者。

功率及尺寸方面的考慮

優(yōu)化微控制器功率最有效的設計技巧是采用一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制核處理器。這樣，鎖相環(huán)（pll）能被抑制以控制處理器的速度。lpc213x系列的另一個(gè)功能是對外設進(jìn)行管理，降低其速度或完全關(guān)閉。

由于采用了先進(jìn)的制造工藝，基于arm的微控制器系列提供了管腳兼容的小型封裝。表1給出了lpc213x系列的封裝形式及上述幾種可選外設。

功能介紹

lpc213x系列簡(jiǎn)化的架構框圖如圖2所示。下面對其重要功能特點(diǎn)進(jìn)行逐一介紹。

片上程序閃存

閃存系統的編程可以通過(guò)幾種方式實(shí)現。串行端口可用于系統內編程。當應用運行時(shí)，它也可以對應用程序進(jìn)行擦除或編寫(xiě)，這為現場(chǎng)固件升級提供了所需的靈活性。當使用片上引導程序時(shí)，閃存可作為用戶(hù)代碼使用。

功率控制

lpc213x系列支持以下兩個(gè)降低功率的模式：

空閑模式。在這種模式下，指令停止運行。復位或中斷恢復指令運行。該模式消除了處理器、存儲系統、相關(guān)控制器及內部總線(xiàn)的功耗。繼續運行的外設可產(chǎn)生中斷，告知處理器再次執行指令。

掉電模式。在這種模式下，振蕩器關(guān)閉，芯片接收不到內部時(shí)鐘。由于動(dòng)態(tài)運行暫停，功率幾乎為零。不過(guò)，在掉電模式下，處理器的狀態(tài)和寄存器、外設寄存器及內部sram值不受影響。芯片輸出引腳的邏輯層仍處于靜態(tài)。通過(guò)復位或無(wú)需時(shí)鐘即可運行的特定的中斷，可以中止該模式。

此外，lpc213x系列還可以關(guān)閉不用的外設。

脈寬調制

pwm模塊是基于標準定時(shí)器的模塊，定時(shí)器能計算出外設模塊的周期，在達到特定的定時(shí)器值時(shí)，會(huì )產(chǎn)生中斷或執行其他操作 。它能分別控制上升沿和下降沿，因而能擴大應用范圍。例如，多相電機控制需要 3個(gè)非重疊的 pwm輸出，以分別控制3個(gè)脈寬和定位。

兩個(gè)匹配寄存器用于執行一個(gè)單邊緣控制的pwm輸出。一個(gè)匹配寄存器在匹配時(shí)復位計數值，用于控制pwm的循環(huán)速度；另一個(gè)用于控制pwm邊緣定位。

每個(gè)外加的單邊緣控制的pwm輸出只需要 一個(gè)匹配寄存器。3個(gè)匹配寄存器可為pwm輸出提供雙邊緣控制。

對于雙邊緣控制pwm輸出，特定的匹配寄存器控制輸出的上升沿和下降沿。 這樣，正的pwm脈沖（上升沿先于下降沿發(fā)生）和負的pwm脈沖（下降沿先于上升沿發(fā)生）就能同時(shí)運行。

中斷控制器

向量中斷控制器（vic）處理所有的中斷請求，并對快速中斷請求（fiq）、向量中斷請求（irq）或非向量irq加以分類(lèi)。由于分配模式是可編程的，因而可以動(dòng)態(tài)地分配和調整來(lái)自外設的中斷優(yōu)先級。

fiq擁有最高的優(yōu)先級。 如果一個(gè)以上的請求被劃分為fiq，vic會(huì )將這些請求集中起來(lái)， 將fiq信號輸入arm處理器。這樣，fiq服務(wù)程序可以讀到來(lái)自vic的命令，以判斷哪一個(gè)或哪些fiq源正在請求中斷。

向量irq具有中等優(yōu)先級。多達16種中斷請求可以作為irq分配。任何一個(gè)中斷請求都可以被分配到16個(gè)向量irq通道（slot）中的任意一個(gè)。通道0優(yōu)先級最高，通道15優(yōu)先級最低。

非向量irq優(yōu)先級最低。通常，vic為正在請求的最高優(yōu)先級irq提供服務(wù)程序地址，或者為所有非向量irq提供共享的缺省程序地址。該缺省程序讀取另一個(gè)vic寄存器，以判斷哪些irq處于激活狀態(tài)。

uart和i/o控制器

除了標準傳輸和功能外，某些系列的兩個(gè)uart中有一個(gè)調制解調器控制信號握手接口。

每個(gè)微控制器擁有兩個(gè)i2c總線(xiàn)控制器。i2c為每個(gè)器件提供一個(gè)特定的地址，使器件可以在只接受或只傳輸的模式下運行。器件可以分為主從兩種類(lèi)型。i2c總線(xiàn)可以通過(guò)一個(gè)以上的總線(xiàn)主控進(jìn)行控制，某些還支持高達400 kb/s的傳輸速率。

該器件還將一個(gè)spi控制器和一個(gè)ssp控制器集成在一起。spi能處理多個(gè)主從操作， 其最大數據位速率是輸入時(shí)鐘速率的1/8。ssp控制器可與多個(gè)主從操作互動(dòng)，但是只有一種主從組合能在特定的數據傳輸期間進(jìn)行通信。

結語(yǔ)

過(guò)去幾年，標準微控制器在性能、功耗及功能組合方面有了長(cháng)足的發(fā)展，同時(shí)保持了較低的單位成本。盡管微控制器不能提供與soc相同的性能，但是能提供與soc類(lèi)似的足夠性能，且應用數量正在不斷增長(cháng)。因此，除了其原有的市場(chǎng)外，32位微控制器，尤其是基于arm內核的微控制器，可以幫助soc設計人員以低廉的成本迅速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。