基于ARM7的高性能低功耗LPC2000系列微控制器應(yīng)對嵌入式需求

突出特點

由于采用了ARM7TDMI-S內(nèi)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。同時它借助片上存儲器加 模塊實現(xiàn)了“零等待訪問”高速閃存功能，提高了指令執(zhí)行的效率。

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

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它是將先進計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，因此它是一個高度密集、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。作為嵌入式系統(tǒng)，它必須能夠根據(jù)應(yīng)用的需求可以對軟硬件進行裁剪，精簡系統(tǒng)以滿足應(yīng)用系統(tǒng)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(tǒng)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，來滿足不斷增長的嵌入式市場需求。

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(chǔ)上提供了增強的通信功能和片上代碼保護機制。由于內(nèi)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(zhuǎn)換器、嵌入式軟調(diào)制解調(diào)器等。6通道的PWM更能用于復(fù)雜的馬達控制應(yīng)用?？傊w利浦ARM嵌入式微控制器應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、通信、安防系統(tǒng)、醫(yī)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(chǎn)品應(yīng)用。

以ARM7微核心的體系架構(gòu)

以LPC2214為例，其結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖1,LPC2214結(jié)構(gòu)框圖

LPC2214的CPU是一個支持實時仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-S 處理器，該款處理器主要用于對功耗和成本要求比較苛刻的應(yīng)用。由于使用了三級流水線技術(shù)，實現(xiàn)了指令的高效執(zhí)行。ARM7TDMI-S處理器除了支持標(biāo)準(zhǔn)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(guī)模的65%,但其性能卻相當(dāng)于連接到16位存儲器系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%.

片上系統(tǒng)時鐘由外部振蕩器經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻產(chǎn)生，最高工作頻率高達60MHZ.片內(nèi)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。

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(xiàn)與CPU接口的，外部總線控制器支持8/16/32位外部存儲器。

LPC2214片內(nèi)外設(shè)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換器（0~3V測量范圍），轉(zhuǎn)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：空閑和掉電。

片上集成高速閃存

LPC2000系列的片上閃存專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計。采用0.18微米的工藝，雙晶體管單元和耐久的寫/擦機制，可實現(xiàn)寫/擦一萬次，128位寬的優(yōu)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，防止代碼被復(fù)制。

圖2,存儲器加速模塊

LPC2000系列微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)零等待訪問的高速閃存，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(jié)構(gòu)框圖。128位寬度的閃存陣列通過單獨的局部總線與處理器接口，每周期可為ARM內(nèi)核提供四條32位指令。這使得MCU無需經(jīng)過等待狀態(tài)就可直接從閃存上執(zhí)行指令，從而消除了一般閃存讀取時的等待時間。為了解決指令序列的變化，指令和數(shù)據(jù)的不同處理帶來的等待時間，模塊內(nèi)部實現(xiàn)了預(yù)取緩沖器、避免數(shù)據(jù)讀/寫打亂地址序列的數(shù)據(jù)旁路和跳轉(zhuǎn)跟蹤緩沖器三個功能塊的聯(lián)合工作，并用兩組128位寬度的存儲器來進行并行訪問，消除延時。

存儲器加速模塊的作用取決于系統(tǒng)時鐘的大小。LPC2000系列片上閃存的訪問時間為50nS,對于系統(tǒng)時鐘不高于20MHZ的應(yīng)用，在1個周期內(nèi)就可將閃存的內(nèi)容讀出，此時沒必要使用存儲器加速模塊。時鐘頻率越高，當(dāng)直接執(zhí)行閃存中的代碼時，系統(tǒng)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(xiàn)零等待高速閃存。由于LPC2000可直接從閃存執(zhí)行指令，無需引導(dǎo)期間將代碼傳送到SRAM,這不僅省掉了耗時又耗能的系統(tǒng)啟動步驟，還節(jié)省了昂貴的SRAM.

對片內(nèi)閃存的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行JTAG接口，通過串口進行在系統(tǒng)編程（ISP），或通過在應(yīng)用編程（IAP）。

豐富的外部總線接口

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A0~A23,32條數(shù)據(jù)線D0~D31及相關(guān)的總線使能線；其中數(shù)據(jù)線寬度可選擇8位，16位或32位來使用，圖3為32數(shù)據(jù)線寬度和8/16/32位數(shù)據(jù)線寬度的外部存儲器連接示意圖：

圖3,32數(shù)據(jù)線寬度外部存儲器接口

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，并且可與SRAM、Pseudo-SRAM、FLASH、EPROM、BURST ROM或其他的I/ODEVICE作適當(dāng)?shù)倪B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或是由外部存儲器來啟動程序。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個等待周期和16個閑置周期。

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個中斷請求，可根據(jù)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(yōu)先級。矢量IRQ 具有中等優(yōu)先級。該級別可分配32個請求中的16個。非矢量IRQ 的優(yōu)先級最低。這種可編程分配機制意味著不同外設(shè)的中斷優(yōu)先級可以動態(tài)分配并調(diào)整。對于任意矢量中斷，一旦發(fā)出請求，CPU可在一個周期內(nèi)過讀取VIC并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址，這將中斷延時降低到最小。

參考設(shè)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)營管理的得力助手，也是稅務(wù)人員常駐店內(nèi)采集銷售數(shù)據(jù)的執(zhí)法代表。它內(nèi)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(yè)數(shù)據(jù)和應(yīng)納稅額，是向納稅機關(guān)納稅的憑據(jù)。

中國2003年10月1日通過了《稅控收款機國家標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)的實施催生了一個巨大的稅控機市場。

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

稅控機制由以IC卡為基礎(chǔ)的發(fā)行、管理、申報、維護、經(jīng)營等系統(tǒng)組成。納稅戶銷售商品在稅控收款機中的記錄與相關(guān)的時間等信息可在機內(nèi)保留5~10年，不可修改、不可清除。有關(guān)數(shù)據(jù)由稅務(wù)部門用專用IC卡讀出，以便稽查。

這里給出以LPC2214為主控單元的一個最小系統(tǒng)參考設(shè)計，該系統(tǒng)主要由主控MCU模塊、時鐘模塊、電源模塊、監(jiān)控模塊、IC卡讀寫模塊、稅控存儲器、狀態(tài)指示電路、接口電路等組成。硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)實時時鐘、外部存儲器接口、UART等其它外設(shè)接口。片上閃存作為用戶程序的存儲空間，其高速零等待特性保證系統(tǒng)的實時運行。其片上程序保護機制，防止代碼被任意更改和復(fù)制。整個系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡潔，極具競爭優(yōu)勢。

稅控收款機軟件設(shè)計采用模塊化思想，嵌入式控制器使用基于μC/OS內(nèi)核的RTOS操作系統(tǒng)，其用戶程序的開發(fā)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。