基於ARM高速快閃記憶體MCU應對廣泛嵌入式需求

突出特點

原文位置　　由於採用了ARM7TDMI-S內核，LPC2000系列MCU工作頻率達60MHz，與其他8-bit產品相比具有更強的功能延展性。同時它藉助片上存儲器加 模塊實現了「零等待訪問」高速快閃記憶體功能，提高了指令執行的效率。

原文位置　　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應用領域非常廣泛，從網絡通信、 馬達控制，到汽車和消費電子都適合於涉足。

原文位置　　嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它是將先進計算機技術、半導體技術和電子技術以及各行業的具體應用相結合的產物，因此它是一個高度密集、不斷創新的知識集成系統。作為嵌入式系統,它必須能夠根據應用的需求可以對軟硬體進行裁剪，精簡系統以滿足應用系統在功能、可靠性、成本、體積等各種要求。

原文位置　　嵌入式處理器是嵌入式系統硬體最核心的部分，飛利浦推出十餘款基於 ARM7 的高性能低功耗LPC2000系列微控制器，來滿足不斷增長的嵌入式市場需求。

原文位置　　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。由於內置了寬範圍的串行通信接口，它們也非常適用於通信網關、協議轉換器、嵌入式軟數據機等。6通道的PWM更能用於複雜的馬達控制應用。總之飛利浦ARM嵌入式微控制器應用領域包括工業控制、通信、安防系統、醫療儀器、航空航天、汽車和消費電子等，覆蓋了從低端到高端的嵌入式產品應用。

原文位置　　以ARM7微核心的體系架構

原文位置　　以LPC2214為例，其結構框圖如下:



圖1，LPC2214結構框圖

原文位置　　LPC2214的CPU是一個支持實時仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-S 處理器，該款處理器主要用於對功耗和成本要求比較苛刻的應用。由於使用了三級流水線技術，實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%，但其性能卻相當於連接到16位存儲器系統的相同ARM處理器性能的160%。

原文位置　　片上系統時鐘由外部振盪器經過鎖相環倍頻產生，最高工作頻率高達60MHZ。片內存儲器控制器是通過單獨的局部總線與CPU接口，這樣做的目的是為了避免總線仲裁的不確定性、總線獲得的延遲和總線上的等待周期，從而獲得更高的實時性能。

原文位置　　中斷控制器和外部總線控制器是通過AMBA 高性能總線(AHB)實現與CPU接口的，外部總線控制器支持8/16/32位外部存儲器。

原文位置　　LPC2214片內外設通過VPB總線，AHB 到VPB 的橋與AHB 總線相連。同時其具有多個串行接口,包括2 個16C550 工業標準UART、高速I2C 接口(400 kHz)和2 個SPI 接口。它還具有8路10 位A/D 轉換器(0~3V測量範圍)，轉換時間可低至2.44uS;2個32 位定時器(帶4 路捕獲和4 路比較通道);PWM 單元(6 路輸出);實時時鐘和看門狗，112個通用I/O 口(可承受5V 電壓);2 個低功耗模式：空閒和掉電。

　片上集成高速快閃記憶體

原文位置　　LPC2000系列的片上快閃記憶體專為嵌入式應用而設計。採用0.18微米的工藝，雙電晶體單元和耐久的寫/擦機制，可實現寫/擦一萬次，128位寬的優化陣列，零等待的訪問，使程序可以全速運行。同時還提供對片上程序保護機制，防止代碼被複製。



圖2，存儲器加速模塊

原文位置　　LPC2000系列微控制器能夠實現零等待訪問的高速快閃記憶體，這主要歸功於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位寬度的快閃記憶體陣列通過單獨的局部總線與處理器接口，每周期可為ARM內核提供四條32位指令。這使得MCU無需經過等待狀態就可直接從快閃記憶體上執行指令，從而消除了一般快閃記憶體讀取時的等待時間。為了解決指令序列的變化，指令和數據的不同處理帶來的等待時間，模塊內部實現了預取緩衝器、避免數據讀/寫打亂地址序列的數據旁路和跳轉跟蹤緩衝器三個功能塊的聯合工作，並用兩組128位寬度的存儲器來進行並行訪問，消除延時。

原文位置　　存儲器加速模塊的作用取決於系統時鐘的大小。LPC2000系列片上快閃記憶體的訪問時間為50nS，對於系統時鐘不高於20MHZ的應用，在1個周期內就可將快閃記憶體的內容讀出，此時沒必要使用存儲器加速模塊。時鐘頻率越高，當直接執行快閃記憶體中的代碼時，系統性能受影響越大，此時使能存儲器加速模塊，可以得到接近4倍速度的加速，真正實現零等待高速快閃記憶體。由於LPC2000可直接從快閃記憶體執行指令，無需引導期間將代碼傳送到SRAM，這不僅省掉了耗時又耗能的系統啟動步驟，還節省了昂貴的SRAM。

原文位置　　對片內快閃記憶體的編程可通過幾種方法來實現：通過內置的串行JTAG 接口，通過串口進行在系統編程(ISP)，或通過在應用編程(IAP)。

豐富的外部總線接口

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



圖3，32數據線寬度外部存儲器接口

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

原文位置　　若選用帶有片上快閃記憶體的產品,可選擇是由片上快閃記憶體啟動或是由外部存儲器來啟動程序。LPC22XX系列產品，還提供了可編程的等待周期及閒置周期，最高可允許插入32個等待周期和16個閒置周期。

原文位置　　矢量中斷控制器

原文位置　　LPC2000系列的矢量中斷控制器可以支持最多32個中斷請求，可根據需要將其編程分為3 類：FIQ、矢量IRQ 和非矢量IRQ。快速中斷請求(FIQ)要求具有最高優先級。矢量IRQ 具有中等優先級。該級別可分配32個請求中的16個。非矢量IRQ 的優先級最低。這種可編程分配機制意味著不同外設的中斷優先級可以動態分配並調整。對於任意矢量中斷，一旦發出請求，CPU可在一個周期內過讀取VIC並跳轉到相應的中斷服務程序的入口地址，這將中斷延時降低到最小。

原文位置　　參考設計方案：稅控收款機

原文位置　　稅控收款機是一種帶有計稅功能的電子收款機，不僅是商業企業經營管理的得力助手，也是稅務人員常駐店內採集銷售數據的執法代表。它內部裝有自動記錄但不能更改和抹掉的計稅存儲器，記錄著每日的營業數據和應納稅額，是向納稅機關納稅的憑據。

原文位置　　中國2003年10月1日通過了《稅控收款機國家標準》，該標準的實施催生了一個巨大的稅控機市場。

原文位置　　稅控收款機由以下幾部分組成：中文顯示系統;中文列印系統;專用稅控處理系統;外圍設備驅動;電源;帶物理安全保證的機箱。

原文位置　　稅控機制由以IC卡為基礎的發行、管理、申報、維護、經營等系統組成。納稅戶銷售商品在稅控收款機中的記錄與相關的時間等信息可在機內保留5～10年，不可修改、不可清除。有關數據由稅務部門用專用IC卡讀出，以便稽查。

這裡給出以LPC2214為主控單元的一個最小系統參考設計,該系統主要由主控MCU模塊、時鐘模塊、電源模塊、監控模塊、IC卡讀寫模塊、稅控存儲器、狀態指示電路、接口電路等組成。硬體結構如圖所示：



圖4， 採用LPC2214的稅控收款機硬體框圖

原文位置　　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時時鐘、外部存儲器接口、UART等其它外設接口。片上快閃記憶體作為用戶程序的存儲空間，其高速零等待特性保證系統的實時運行。其片上程序保護機制，防止代碼被任意更改和複製。整個系統的設計結構簡潔，極具競爭優勢。

原文位置　　稅控收款機軟體設計採用模塊化思想，嵌入式控制器使用基於μC/OS內核的RTOS作業系統，其用戶程序的開發大體分為如下部分：主程序、自檢診斷模塊、IC卡讀寫模塊、UART通訊模塊、開票模塊、液晶顯示和按鍵等人機接口模塊。

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