基于ARM的32位MCU提供SoC設計參考

隨著制造工藝的迅猛發(fā)展，mcu在外設集成、性能、功耗及降低成本方面都有了長足的進展，幾乎能提供與soc相類似的性能，而且應用數(shù)量正日趨增長。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(tǒng)級芯片(soc)技術可以看作是專用集成電路(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遇到的障礙。soc的性能接近于成熟的asic，不過它仍需要掩膜，并不能節(jié)省asic所需的大部分設計成本。

隨著先進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(qū)別也在縮小。對于基于arm內核的微控制器而言，當集成了關鍵外設時，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32位的平行指令，也就是說20 mhz或30 mhz存儲控制器不再需要cpu等待指令。arm的流水線架構使該技術能夠提供優(yōu)于其他實現(xiàn)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。 一個完整的微控制器系列可以滿足多種應用，例如機器人技術、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(tǒng)（hvac）、醫(yī)療設備和安全系統(tǒng)等。lpc213x系列通過集成32k到512k字節(jié)片上閃存、若干個32位定時器、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(jié)）使芯片成為網(wǎng)關和協(xié)議轉換器、軟件調制解調器、語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實時時鐘控制核處理器。這樣，鎖相環(huán)（pll）能被抑制以控制處理器的速度。lpc213x系列的另一個功能是對外設進行管理，降低其速度或完全關閉。

由于采用了先進的制造工藝，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系列簡化的架構框圖如圖2所示。下面對其重要功能特點進行逐一介紹。

片上程序閃存

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

功率控制

lpc213x系列支持以下兩個降低功率的模式：

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(tǒng)、相關控制器及內部總線的功耗。繼續(xù)運行的外設可產(chǎn)生中斷，告知處理器再次執(zhí)行指令。

掉電模式。在這種模式下，振蕩器關閉，芯片接收不到內部時鐘。由于動態(tài)運行暫停，功率幾乎為零。不過，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)。通過復位或無需時鐘即可運行的特定的中斷，可以中止該模式。

此外，lpc213x系列還可以關閉不用的外設。

脈寬調制

pwm模塊是基于標準定時器的模塊，定時器能計算出外設模塊的周期，在達到特定的定時器值時，會產(chǎn)生中斷或執(zhí)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個非重疊的 pwm輸出，以分別控制3個脈寬和定位。

兩個匹配寄存器用于執(zhí)行一個單邊緣控制的pwm輸出。一個匹配寄存器在匹配時復位計數(shù)值，用于控制pwm的循環(huán)速度；另一個用于控制pwm邊緣定位。

每個外加的單邊緣控制的pwm輸出只需要 一個匹配寄存器。3個匹配寄存器可為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。由于分配模式是可編程的，因而可以動態(tài)地分配和調整來自外設的中斷優(yōu)先級。

fiq擁有最高的優(yōu)先級。 如果一個以上的請求被劃分為fiq，vic會將這些請求集中起來， 將fiq信號輸入arm處理器。這樣，fiq服務程序可以讀到來自vic的命令，以判斷哪一個或哪些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。任何一個中斷請求都可以被分配到16個向量irq通道（slot）中的任意一個。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uart中有一個調制解調器控制信號握手接口。

每個微控制器擁有兩個i2c總線控制器。i2c為每個器件提供一個特定的地址，使器件可以在只接受或只傳輸?shù)哪Ｊ较逻\行。器件可以分為主從兩種類型。i2c總線可以通過一個以上的總線主控進行控制，某些還支持高達400 kb/s的傳輸速率。

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

結語

過去幾年，標準微控制器在性能、功耗及功能組合方面有了長足的發(fā)展，同時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類似的足夠性能，且應用數(shù)量正在不斷增長。因此，除了其原有的市場外，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。