典型MCU架構(gòu)詳解與主流MCU介紹

典型MCU架構(gòu)詳解與主流MCU介紹

在前面的介紹中，我們已經(jīng)了解到MCU就是基于一定的內(nèi)核體系，集成了存儲(chǔ)、并行或串行I/O、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)以及其他控制功能的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖4.1是典型的MCU組成框圖。

目前，雖然很多廠商采用了ARM內(nèi)核體系，但是在具體的MCU產(chǎn)品上，各個(gè)公司集成的功能差異非常大，形成MCU百花齊放的格局，由于本書的重點(diǎn)是介紹32位MCU，所以我們將重點(diǎn)以恩智浦公司的MCU為例來介紹，這些MCU中，LPC3000、LH7A采用ARM9內(nèi)核，LPC2000和LH7采用ARM7內(nèi)核，LPC1000系列采用Cortex-M3或M0內(nèi)核，通過這幾個(gè)系列的介紹可以了解MCU的構(gòu)成和差異。

4.1恩智浦LPC1000系列MCU

LPC1000系列MCU是以第二代Cortex-M3為內(nèi)核的微控制器，用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度高達(dá)100MHz，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz，并包含一個(gè)支持分支預(yù)測的內(nèi)部預(yù)取指單元，特別適用于靜電設(shè)計(jì)、照明設(shè)備、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、報(bào)警系統(tǒng)、白色家電、電機(jī)控制等領(lǐng)域。LPC1000系列MCU又分為LPC1700系列和LPC1300系列，下面我們分開介紹。

4.1.1LPC1700系列MCU介紹

LPC1700系列ARM是以第二代的Cortex-M3為內(nèi)核，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制、燈光控制、報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域。其操作頻率高達(dá)100MHz，采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的高性能的第三條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz，并包含一個(gè)支持分支預(yù)測的內(nèi)部預(yù)取指單元。

LPC1700系列ARMCortex-M3的外設(shè)組件：最高配置包括512KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、64KB片

內(nèi)SRAM、8通道GPDMA控制器、4個(gè)32位通用定時(shí)器、一個(gè)8通道12位ADC、一個(gè)10位DAC、一路電機(jī)控制PWM輸出、一個(gè)正交編碼器接口、6路通用PWM輸出、一個(gè)看門狗定時(shí)器以及一個(gè)獨(dú)立供電的超低功耗RTC。

LPC1700系列ARMCortex-M3還集成了大量的通信接口：一個(gè)以太網(wǎng)MAC、一個(gè)USB2.0全速接口、4個(gè)UART接口、2路CAN、2個(gè)SSP接口、1個(gè)SPI接口、3個(gè)I2C接口、2路I2S輸入和2路I2S輸出。

1.LPC1700系列MCU關(guān)鍵特性：

*第二代Cortex-M3內(nèi)核，運(yùn)行速度高達(dá)100MHz；

*采用純Thumb2指令集，代碼存儲(chǔ)密度高；

*內(nèi)置嵌套向量中斷控制器（NVIC），極大程度的降低了中斷延遲；

*不可屏蔽中斷（NMI）輸入；

*具有存儲(chǔ)器保護(hù)單元，內(nèi)嵌系統(tǒng)時(shí)鐘；

*全新的中斷喚醒控制器（WIC）；

*存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）；

*以太網(wǎng)、USBHost/OTG/Device、CAN、I2S；

*快速（Fm+）I2C、SPI/SSP、UART；

*電機(jī)控制PWM輸出和正交編碼器接口；

*12位ADC；

*低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）；

*第二個(gè)專用的PLL可用于USB接口，增加了主PLL設(shè)置的靈活性；

*4個(gè)低功率模式：睡眠、深度睡眠、掉電、深度掉電，可通過外部中斷、RTC中斷、USB活動(dòng)中斷、以太網(wǎng)喚醒中斷、CAN總線活動(dòng)中斷、NMI等中斷喚醒；

*具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能的512KB片上Flash程序存儲(chǔ)器；

*64KB片內(nèi)SRAM包括：

*32KBSRAM可供高性能CPU通過本地代碼/數(shù)據(jù)總線訪問；

*2個(gè)16KBSRAM模塊，帶獨(dú)立訪問路徑，可進(jìn)行更高吞吐量的操作。這些SRAM模塊可用于以太網(wǎng)、USB、DMA存儲(chǔ)器，以及通用指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

*AHB多層矩陣上具有8通道的通用DMA控制器（GPDMA），結(jié)合SSP、I2S、UART、AD/DA轉(zhuǎn)換、定時(shí)器匹配信號(hào)和GPIO使用，并可用于存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳輸；

*多層AHB矩陣內(nèi)部連接，為每個(gè)AHB主機(jī)提供獨(dú)立的總線。AHB主機(jī)包括CPU、通用DMA控制器、以太網(wǎng)MAC和USB接口。這個(gè)內(nèi)部連接特性提供無仲裁延遲的通信；

*實(shí)用的LQFP80/100腳封裝。

2.LPC1700系列中LPC1766方框圖：

3.LPC1700系列MCU參數(shù)規(guī)格如下表所示：

4.1.2LPC1300系列MCU介紹

LPC1311/13/42/43是以第二代ARMCortex-M3為內(nèi)核的微控制器，其系統(tǒng)性能大大提高，增強(qiáng)了調(diào)試特性，令所支持模塊的集成級(jí)別更高。其最大亮點(diǎn)在于具有極高的代碼集成度和極低的功耗，是業(yè)界功耗最低的32位Cortex-M3MCU。

LPC1300系列ARM微控制器的操作頻率高達(dá)70MHz，具有3級(jí)流水線功能，并采用支持獨(dú)立本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線的哈佛架構(gòu)，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz，還包括了一個(gè)內(nèi)部預(yù)取單元，支持分支預(yù)測操作。

LPC1311/13/42/43的外設(shè)組件：最高配置有32KB的Flash存儲(chǔ)器、8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、USB設(shè)備（僅對(duì)于LPC1342/43）、一個(gè)快速模式I2C接口、一個(gè)UART、四個(gè)通用定時(shí)器、42個(gè)通用I/O引腳。

1.LPC13XX系列MCU關(guān)鍵特性

*第二代Cortex-M3內(nèi)核，高達(dá)70MHz的運(yùn)行速度；

*內(nèi)置有嵌套向量中斷控制器（NVIC）；

*具有32KB（LPC1343/13）/16KB（LPC1342）/8KB（LPC1311）片上Flash程序存儲(chǔ)器；

*10位ADC，在8個(gè)引腳中實(shí)現(xiàn)輸入多路復(fù)用；

*在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）可通過片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序軟件來實(shí)現(xiàn)；

串行接口

*帶有用于設(shè)備的片內(nèi)PHY的USB2.0全速設(shè)備控制器（僅對(duì)于LPC1342/43）；

*可產(chǎn)生小數(shù)波特率、具有調(diào)制解調(diào)器、內(nèi)部FIFO和支持RS-485/EIA-485標(biāo)準(zhǔn)的UART；

*SSP控制器，帶FIFO和多協(xié)議功能；

*I2C總線接口，完全支持I2C總線規(guī)范和快速模式，數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s，具有多個(gè)地址識(shí)別功能和監(jiān)控模式；

其它外設(shè)

*多達(dá)42個(gè)通用I/O（GPIO）引腳，帶可配置的上拉/下拉電阻，并有新的、可配置的開漏操作模式；

*4個(gè)通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，共有4路捕獲輸入和13路匹配輸出；

*可編程的看門狗定時(shí)器（WDT）；

*具有系統(tǒng)定時(shí)器；

*每個(gè)外設(shè)都具有其自身的時(shí)鐘分頻器，以進(jìn)一步降低功耗；

*集成了PMU（電源管理單元），可在睡眠、深度睡眠和深度掉電模式中極大限度減少功耗；

*具有三種低功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式；

*帶驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘輸出功能可以反映主振蕩器時(shí)鐘、IRC時(shí)鐘、CPU時(shí)鐘、看門狗時(shí)鐘和USB時(shí)鐘；

*掉電檢測，具有4個(gè)獨(dú)立的閥值，用于中斷和強(qiáng)制的復(fù)位；

*12MHz內(nèi)部RC振蕩器可調(diào)節(jié)到1﹪的精度，可將其選擇為系統(tǒng)時(shí)鐘；

*PLL允許CPU在最大的CPU速率下操作，而無需高頻晶振，可從主振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器或看門狗振蕩器中運(yùn)行；

*可采用48腳LQFP封裝和33引腳HVQFN封裝。

2.LPC13XX系列MCU方框圖如下表所示：

3.LPC13XX系列MCU參數(shù)規(guī)格如下表所示：

4.1.3LPC1100--更高效能MCU向我們走來

2009年5月，恩智浦宣布推出將于2010年初推出基于Cortex-M0的LPC1100系列產(chǎn)品。LPC1100非常適合那些電池供電、電子計(jì)量、消費(fèi)電子外圍設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器以及所有的16位應(yīng)用。

ARMCortex-M0處理器是市場上現(xiàn)有的最小、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。該處理能耗非常低、門數(shù)量少、代碼占用空間小，使得MCU開發(fā)人員能夠以8位處理器的價(jià)位，獲得32位處理器的性能。超低門數(shù)還使其能夠用于模擬信號(hào)設(shè)備和混合信號(hào)設(shè)備及MCU應(yīng)用中，可望明顯節(jié)約系統(tǒng)成本，同時(shí)保留功能強(qiáng)大的Coretex-M0處理器的工具和二進(jìn)制兼容能力。

Cortex-M0最大的優(yōu)勢在于能效。數(shù)據(jù)顯示，其運(yùn)算能力可以達(dá)到0.9DMIPS/MHz，但功耗卻僅有80uW/MHz。這源于所謂的“超低功耗深度睡眠架構(gòu)”，是因?yàn)椴捎昧薃RM180ULL庫和PMK，所以相比傳統(tǒng)8/16位MCU擁有更低的靜態(tài)功耗。另外，盡管動(dòng)態(tài)功耗與眼下的16位處理器相當(dāng)，但是由于運(yùn)算性能的提高，實(shí)際上處理器在執(zhí)行同樣的任務(wù)時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間降低了，這就大幅降低了處理器的動(dòng)態(tài)功耗。

ARMCortex-M0處理器關(guān)鍵特性：

*50MHz主頻

*緊密耦合的巢狀向量中斷控制器快速確定性中斷；

*喚醒中斷控制器允許從優(yōu)先級(jí)中斷中自動(dòng)喚醒；

*3個(gè)低功耗模式：睡眠，深度睡眠和深度掉電；

存儲(chǔ)器；

*128KB的FLASH存儲(chǔ)器；

*16KB的SRAM；

串行外圍設(shè)備；

*帶有分?jǐn)?shù)波特率，內(nèi)部FIFO，支持RS-485的UART；

*帶有FIFO和多重協(xié)定能力的SPI控制器；

*I2C總線接口支持全速I2C總線規(guī)格和快速模式的波特率為1Mbps帶有多樣的地址識(shí)別和監(jiān)控模式；

*模擬外圍設(shè)備；

*8通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換率高達(dá)250K采樣每秒。

LPC1100系列是世界首款基于Cortex-M0內(nèi)核的MCU，性價(jià)比高，LPC1100的代碼和工具與恩智浦其他基于ARM內(nèi)核