基于A(yíng)RM高速閃存MCU應對廣泛嵌入式需求

　　突出特點(diǎn)

　　由于采用了ARM7TDMI-S內核，LPC2000系列MCU工作頻率達60MHz，與其他8-bit產(chǎn)品相比具有更強的功能延展性。同時(shí)它借助片上存儲器加 模塊實(shí)現了“零等待訪(fǎng)問(wèn)”高速閃存功能，提高了指令執行的效率。

　　此外，LPC2000的外設接口非常豐富，包括UART、SPI、I2C、CAN、ADC、 PWM、RTC等。LPC2000系列MCU應用領(lǐng)域非常廣泛，從網(wǎng)絡(luò )通信、 馬達控制，到汽車(chē)和消費電子都適合于涉足。

　　嵌入式系統是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應用的，它是將先進(jìn)計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)以及各行業(yè)的具體應用相結合的產(chǎn)物，因此它是一個(gè)高度密集、不斷創(chuàng )新的知識集成系統。作為嵌入式系統,它必須能夠根據應用的需求可以對軟硬件進(jìn)行裁剪，精簡(jiǎn)系統以滿(mǎn)足應用系統在功能、可靠性、成本、體積等各種要求。

　　嵌入式處理器是嵌入式系統硬件最核心的部分，飛利浦推出十余款基于 ARM7 的高性能低功耗LPC2000系列微控制器，來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的嵌入式市場(chǎng)需求。

　　這一系列新款微控制器LPC2114/2124/2119/2129/2194、LPC2210/2212/2214、LPC2290 /2292/2294在高性能低功耗的基礎上提供了增強的通信功能和片上代碼保護機制。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器、嵌入式軟調制解調器等。6通道的PWM更能用于復雜的馬達控制應用?？傊w利浦ARM嵌入式微控制器應用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、通信、安防系統、醫療儀器、航空航天、汽車(chē)和消費電子等，覆蓋了從低端到高端的嵌入式產(chǎn)品應用。

　　以ARM7微核心的體系架構

　　以L(fǎng)PC2214為例，其結構框圖如下:

　　圖1，LPC2214結構框圖

　　LPC2214的CPU是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-S 處理器，該款處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的應用。由于使用了三級流水線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現了指令的高效執行。ARM7TDMI-S處理器除了支持標準32位 ARM指令集，也支持16位的THUMB指令集，THUMB 代碼僅為ARM 代碼規模的65%，但其性能卻相當于連接到16位存儲器系統的相同ARM處理器性能的160%。

　　片上系統時(shí)鐘由外部振蕩器經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)倍頻產(chǎn)生，最高工作頻率高達60MHZ。片內存儲器控制器是通過(guò)單獨的局部總線(xiàn)與CPU接口，這樣做的目的是為了避免總線(xiàn)仲裁的不確定性、總線(xiàn)獲得的延遲和總線(xiàn)上的等待周期，從而獲得更高的實(shí)時(shí)性能。

　　中斷控制器和外部總線(xiàn)控制器是通過(guò)AMBA 高性能總線(xiàn)(AHB)實(shí)現與CPU接口的，外部總線(xiàn)控制器支持8/16/32位外部存儲器。

　　LPC2214片內外設通過(guò)VPB總線(xiàn)，AHB 到VPB 的橋與AHB 總線(xiàn)相連。同時(shí)其具有多個(gè)串行接口,包括2 個(gè)16C550 工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C 接口(400 kHz)和2 個(gè)SPI 接口。它還具有8路10 位A/D 轉換器(0~3V測量范圍)，轉換時(shí)間可低至2.44uS;2個(gè)32 位定時(shí)器(帶4 路捕獲和4 路比較通道);PWM 單元(6 路輸出);實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗，112個(gè)通用I/O 口(可承受5V 電壓);2 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電。

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　　片上集成高速閃存

　　LPC2000系列的片上閃存專(zhuān)為嵌入式應用而設計。采用0.18微米的工藝，雙晶體管單元和耐久的寫(xiě)/擦機制，可實(shí)現寫(xiě)/擦一萬(wàn)次，128位寬的優(yōu)化陣列，零等待的訪(fǎng)問(wèn)，使程序可以全速運行。同時(shí)還提供對片上程序保護機制，防止代碼被復制。

　　圖2，存儲器加速模塊

　　LPC2000系列微控制器能夠實(shí)現零等待訪(fǎng)問(wèn)的高速閃存，這主要歸功于片上的存儲器加速模塊。圖2為存儲器加速模塊的結構框圖。128位寬度的閃存陣列通過(guò)單獨的局部總線(xiàn)與處理器接口，每周期可為ARM內核提供四條32位指令。這使得MCU無(wú)需經(jīng)過(guò)等待狀態(tài)就可直接從閃存上執行指令，從而消除了一般閃存讀取時(shí)的等待時(shí)間。為了解決指令序列的變化，指令和數據的不同處理帶來(lái)的等待時(shí)間，模塊內部實(shí)現了預取緩沖器、避免數據讀/寫(xiě)打亂地址序列的數據旁路和跳轉跟蹤緩沖器三個(gè)功能塊的聯(lián)合工作，并用兩組128位寬度的存儲器來(lái)進(jìn)行并行訪(fǎng)問(wèn)，消除延時(shí)。

　　存儲器加速模塊的作用取決于系統時(shí)鐘的大小。LPC2000系列片上閃存的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間為50nS，對于系統時(shí)鐘不高于20MHZ的應用，在1個(gè)周期內就可將閃存的內容讀出，此時(shí)沒(méi)必要使用存儲器加速模塊。時(shí)鐘頻率越高，當直接執行閃存中的代碼時(shí)，系統性能受影響越大，此時(shí)使能存儲器加速模塊，可以得到接近4倍速度的加速，真正實(shí)現零等待高速閃存。由于LPC2000可直接從閃存執行指令，無(wú)需引導期間將代碼傳送到SRAM，這不僅省掉了耗時(shí)又耗能的系統啟動(dòng)步驟，還節省了昂貴的SRAM。

　　對片內閃存的編程可通過(guò)幾種方法來(lái)實(shí)現：通過(guò)內置的串行JTAG 接口，通過(guò)串口進(jìn)行在系統編程(ISP)，或通過(guò)在應用編程(IAP)。

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　　豐富的外部總線(xiàn)接口

　　LPC22XX系列產(chǎn)品提供了外部存儲器接口，其中包含了24條地址線(xiàn)A0~A23，32條數據線(xiàn)D0~D31及相關(guān)的總線(xiàn)使能線(xiàn);其中數據線(xiàn)寬度可選擇8位，16位或32位來(lái)使用，圖3為32數據線(xiàn)寬度和8/16/32位數據線(xiàn)寬度的外部存儲器連接示意圖:

　　圖3，32數據線(xiàn)寬度外部存儲器接口

　　LPC22XX提供了4個(gè)獨立且可同時(shí)配置存儲器組，每組可有16MB的地址空間，并且可與SRAM、Pseudo-SRAM、FLASH、EPROM、BURST ROM或其他的I/O DEVICE 作適當的連接與存取。

　　若選用帶有片上閃存的產(chǎn)品,可選擇是由片上閃存啟動(dòng)或是由外部存儲器來(lái)啟動(dòng)程序。LPC22XX系列產(chǎn)品，還提供了可編程的等待周期及閑置周期，最高可允許插入32個(gè)等待周期和16個(gè)閑置周期。

　　矢量中斷控制器

　　LPC2000系列的矢量中斷控制器可以支持最多32個(gè)中斷請求，可根據需要將其編程分為3 類(lèi)：FIQ、矢量IRQ 和非矢量IRQ?？焖僦袛嗾埱?FIQ)要求具有最高優(yōu)先級。矢量IRQ 具有中等優(yōu)先級。該級別可分配32個(gè)請求中的16個(gè)。非矢量IRQ 的優(yōu)先級最低。這種可編程分配機制意味著(zhù)不同外設的中斷優(yōu)先級可以動(dòng)態(tài)分配并調整。對于任意矢量中斷，一旦發(fā)出請求，CPU可在一個(gè)周期內過(guò)讀取VIC并跳轉到相應的中斷服務(wù)程序的入口地址，這將中斷延時(shí)降低到最小。

　　參考設計方案：稅控收款機

　　稅控收款機是一種帶有計稅功能的電子收款機，不僅是商業(yè)企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的得力助手，也是稅務(wù)人員常駐店內采集銷(xiāo)售數據的執法代表。它內部裝有自動(dòng)記錄但不能更改和抹掉的計稅存儲器，記錄著(zhù)每日的營(yíng)業(yè)數據和應納稅額，是向納稅機關(guān)納稅的憑據。

　　中國2003年10月1日通過(guò)了《稅控收款機國家標準》，該標準的實(shí)施催生了一個(gè)巨大的稅控機市場(chǎng)。

　　稅控收款機由以下幾部分組成：中文顯示系統;中文打印系統;專(zhuān)用稅控處理系統;外圍設備驅動(dòng);電源;帶物理安全保證的機箱。

　　稅控機制由以IC卡為基礎的發(fā)行、管理、申報、維護、經(jīng)營(yíng)等系統組成。納稅戶(hù)銷(xiāo)售商品在稅控收款機中的記錄與相關(guān)的時(shí)間等信息可在機內保留5～10年，不可修改、不可清除。有關(guān)數據由稅務(wù)部門(mén)用專(zhuān)用IC卡讀出，以便稽查。

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　　這里給出以L(fǎng)PC2214為主控單元的一個(gè)最小系統參考設計,該系統主要由主控MCU模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、監控模塊、IC卡讀寫(xiě)模塊、稅控存儲器、狀態(tài)指示電路、接口電路等組成。硬件結構如圖所示：

　　圖4， 采用LPC2214的稅控收款機硬件框圖

　　嵌入式微控制器選用飛利浦LPC2214，充分合理地利用了其片內實(shí)時(shí)時(shí)鐘、外部存儲器接口、UART等其它外設接口。片上閃存作為用戶(hù)程序的存儲空間，其高速零等待特性保證系統的實(shí)時(shí)運行。其片上程序保護機制，防止代碼被任意更改和復制。整個(gè)系統的設計結構簡(jiǎn)潔，極具競爭優(yōu)勢。

　　稅控收款機軟件設計采用模塊化思想，嵌入式控制器使用基于μC/OS內核的RTOS操作系統，其用戶(hù)程序的開(kāi)發(fā)大體分為如下部分：主程序、自檢診斷模塊、IC卡讀寫(xiě)模塊、UART通訊模塊、開(kāi)票模塊、液晶顯示和按鍵等人機接口模塊。