典型MCU架构详解与主流MCU介绍

典型单片机体系结构详细说明及主流单片机介绍在前面的介绍中，我们已经了解到单片机是基于某个内核系统的微型计算机系统，它集成了存储、并行或串行输入输出、定时器、中断系统等控制功能。如图4.1所示，这是一个典型的单片机框图。目前，虽然很多厂商都采用了ARM内核系统，但是在具体的MCU产品中，各个公司的集成功能却有很大的不同，形成了一个蓬勃发展的MCU模式。由于本书的重点是介绍32位微控制器，因此我们将以恩智浦的微控制器为例。其中，LPC3000和LH7A采用ARM9内核，LPC2000和LH7采用ARM7内核，LPC1000系列采用M3或M0内核。通过对这些系列的介绍，我们可以了解单片机的组成和区别。4.1恩智浦LPC1000系列微处理器LPC1000系列微控制器是以第二代Cortex-M3为核心的微控制器，用于处理要求高集成度和低功耗的嵌入式应用。它采用三级流水线和哈佛结构，运行速度高达100兆赫兹，具有独立的本地指令和数据总线，第三条总线用于外设，使得代码执行速度高达1.25兆位/兆赫，并包括一个支持分支预测的内部预取指单元，特别适用于静电设计、照明设备、工业网络、报警系统、白色家电、电机控制等领域。LPC1000系列单片机分为LPC1700系列和LPC1300系列，下面分别介绍。4 . 1 . 1 LPC 1700系列MCU简介LPC1700系列ARM是一款高性能、低功耗的32位微处理器，专为嵌入式系统应用而设计，以Cortex-M3为核心。适用于仪器仪表、工业通讯、电机控制、灯光控制、报警系统等领域。其工作频率高达100兆赫兹，采用三级流水线和哈佛结构，具有独立的本地指令和数据总线以及高性能的外设第三总线，使得代码执行速度高达1.25兆位/兆赫，并包括一个支持分支预测的内部预取指单元。LPC1700系列ARM Cortex-M3的外设组件：最大配置包括512KB片内闪存程序存储器和64KB片内存储器。内部静态随机存取存储器、8通道GPDMA控制器、4个32位通用定时器、8通道12位模数转换器、10位数模转换器、1个电机控制脉宽调制输出、1个正交编码器接口、6个通用脉宽调制输出、1个看门狗定时器和1个独立供电的超低功耗实时时钟。LPC1700系列ARM Cortex-M3还集成了大量通信接口：一个以太网MAC、一个USB 2.0全速接口、4个UART接口、2个CAN、2个SSP接口、1个SPI接口、3个I2C接口、2个I2S输入和2个I2S输出。1.LPC1700系列单片机的主要特点：*第二代Cortex-M3内核最高可达100兆赫兹；*使用纯拇指2指令集，高代码存储密度；*内置嵌套矢量中断控制器(NVIC)，大大减少中断延迟；*不可避免的中断(NMI)输入；*带内存保护单元，嵌入式系统时钟；*新的中断唤醒控制器(WIC)；*内存保护单元；*以太网，通用串行总线主机/OTG/设备，加拿大，i2s；*快速(调频)I2C、SPI/SSP、通用异步收发器；*电机控制脉宽调制输出和正交编码器接口；* 12位模数转换器；*低功耗实时时钟；*第二个专用锁相环可用于通用串行总线接口，增加了主锁相环设置的灵活性。* 4种低功耗模式：睡眠、深度睡眠、电源故障和深度电源故障，可由外部中断、实时时钟中断、USB活动中断、以太网唤醒中断、CAN总线活动中断、NMI和其他中断唤醒；* 512千字节片上闪存程序存储器，具有系统编程和应用编程功能；* 64KB片内静态存储器包括：* 32KB静态随机存取存储器可由高性能中央处理器通过本地代码/数据总线访问；* 2个16KB静态随机存取存储器模块，具有独立的访问路径，可实现更高的吞吐量操作。这些静态随机存取存储器模块可用于以太网、通用串行总线、直接内存和通用指令及数据存储。* The多层矩阵有一个8通道通用DMA控制器(GPDMA)，它与SSP、I2S、UART、模数转换、定时器匹配信号和GPIO结合使用，可用于存储器到存储器的传输。*多层AHB矩阵内部连接，为每个AHB主机提供独立总线。AHB主机包括中央处理器、通用DMA控制器、以太网MAC和USB接口。这种内部连接特征提供了没有仲裁延迟的通信；*实用LQFP 80/100英尺封装。2.2中的LPC1766框图。LPC1700系列：3.LPC1700系列单片机参数规格如下表所示：4 . 1 . 2 LPC 1300系列MCU介绍LPC1311/13/42/43是以第二代ARM Cortex-M3为核心的微控制器。系统性能大大提高，调试特性增强，支持的模块集成度更高。其最大亮点是极高的代码集成度和低功耗，是业界功耗最低的32位Cortex-M3微控制器。LPC1300系列ARM微控制器工作频率高达70MHz，具有3级流水线功能，采用哈佛架构，支持独立的本地指令和数据总线以及第三条外设总线，因此代码执行速度高达1.25兆位/兆赫。它还包括支持分支预测操作的内部预取单元。LPC1311/13/42/43的外围组件：最高32KB闪存、8KB数据存储器、通用串行总线设备(仅限LPC1342/43)、快速模式I2C接口、通用异步收发器、四个通用定时器和42个通用输入/输出引脚。1.1的主要特征。LPC13XX系列单片机*第二代Cortex-M3内核，运行速度高达70兆赫；*内置嵌套矢量中断控制器(NVIC)；*具有32kb(LPC 1343/13)/16kb(LPC 1342)/8kb(LPC 1311)片内闪存程序存储器；* 10位模数转换器，输入多路复用在8个引脚中；*系统内编程(ISP)和应用内编程(IAP)可以通过片上引导加载程序软件实现；串行接口*设备带片内PHY的通用串行总线2.0全速设备控制器(仅适用于LPC 1342/43)；*可产生分数波特率，带调制解调器、内部先进先出和通用异步收发器；支持RS-485/EIA-485标准；* SSP控制器，具有先进先出和多协议功能；* I2C总线接口，完全支持I2C总线规范和快速模式，数据速率为1兆位/秒，具有多种地址识别功能和监控模式；其他外设*多达42个通用输入/输出(GPIO)引脚，具有可配置的上拉/下拉电阻和新的可配置开漏工作模式；* 4个通用定时器/计数器，具有4个捕获输入和13个匹配输出；*可编程看门狗定时器(WDT)；*有系统定时器；*每个外设都有自己的时钟分频器，以进一步降低功耗；*集成电源管理单元(PMU)，最大限度地降低睡眠、深度睡眠和深度掉电模式下的功耗；*它有三种低功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉电模式。*带驱动的时钟输出功能可以反映主振荡器时钟、独立时钟、中央处理器时钟、看门狗时钟和通用串行总线时钟；*电源故障检测，具有4个独立的中断和强制复位阈值；* 12兆赫兹内部RC振荡器可以调整到1%的精度，可以选择它作为系统时钟；*锁相环允许中央处理器在没有高频晶体振荡器的情况下以最大中央处理器速率工作，并且可以从主振荡器、内部RC振荡器或看门狗振荡器工作。*提供48引脚LQFP和33引脚HVQFN封装。2.2的框图。下表显示了LPC13XX系列微处理器：3.LPC13XX系列单片机参数规格如下表所示：4.1.3 LPC1100 -更多高性能微控制器向我们走来2009年5月，恩智浦宣布在2010年初推出基于Cortex-M0的LPC1100系列。LPC1100非常适合电池供电、电子计量、消费电子外设、远程传感器和所有16位应用。ARM Cortex-M0处理器是市场上最小、能耗最低、最节能的ARM处理器。处理功耗非常低，门的数量少，代码占用空间小，这使得单片机开发人员能够以8位处理器的价格获得32位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备、混合信号设备和微控制器应用，这有望显著节省系统成本，同时保留强大的Cortex-M0处理器的工具和二进制兼容性。Cortex-M0的最大优势是能效。数据显示，其计算能力可达0.9 DMIPS/MHz，但功耗仅为80uW/MHz。这是由于所谓的“超低功耗深度睡眠架构”，因为采用了ARM 180ULL库和PMK，所以它比传统的8/16位MCU具有更低的静态功耗。此外，虽然动态功耗与当前16位处理器相当，但由于计算性能的提高，处理器执行相同任务所花费的时间实际上减少了，这大大降低了处理器的动态功耗。ARM Cortex-M0处理器的主要特性：* 50兆赫主频率*紧密耦合的嵌套向量中断控制器的快速确定性中断；*唤醒中断控制器允许从优先中断中自动唤醒；* 3种低功耗模式：睡眠、深度睡眠和深度电源故障；记忆。* 128千字节闪存；* 16KB静态随机存储器；串行外围设备；*通用异步收发器；具有分数波特率，内部先进先出和RS-485支持；*具有先进先出和多协议功能的串行接口控制器；* I2C总线接口支持全速I2C总线规范和1兆位/秒的快速模式波特率，支持各种地址识别和监控模式；*模拟外设；* 8通道10位模数转换器，转换速率高达每秒25万个样本。LPC1100系列是世界上第一款基于Cortex-M0内核的高性价比微控制器。LPC1100的代码和工