基于ARM的32位MCU提供SoC设计参考
飞利浦半导体公司 Gerwin Heyer
随着制造工艺的迅猛发展，MCU在外设集成、性能、功耗及降低成本方面都有了长足的进展，几乎能提供与SoC相类似的性能，而且应用数量正日趋增长。特别是基于ARM的32位MCU，为SoC设计人员提供了快速低廉的设计参考。
系统级芯片(SoC)技术可以看作是专用集成电路(ASIC)的一种新的设计模式，较之ASIC，其设计周期短，能为设计人员消除设计特殊应用时遇到的障碍。SoC的性能接近于成熟的ASIC，不过它仍需要掩膜，并不能节省ASIC所需的大部分设计成本。
随着先进的制造工艺将更多外设集成于芯片、降低功耗和提供更多的性能，ASIC和标准32位微控制器（MCU）的区别也在缩小。对于基于ARM内核的微控制器而言，当集成了关键外设时，这种趋势更加明显。如采用0.18 m闪存工艺并支持高性能架构的MCU，为SoC设计人员提供了很多设计帮助。
性能拓展
为了弥补产品在性能方面的不足，基于ARM的LPC213X系列微控制器采用了多达4个32位的平行指令，也就是说20 MHz或30 MHz存储控制器不再需要CPU等待指令。ARM的流水线架构使该技术能够提供优于其他实现方法近 4倍的性能。
外设
芯片上集成哪些外设是由应用决定的。微控制器系列针对不同的应用也集成了各种外设。一个完整的微控制器系列可以满足多种应用，例如机器人技术、水电气表、非接触式读卡器、生产设备控制、环境控制和高压交流系统（HVAC）、医疗设备和安全系统等。LPC213X系列通过集成32K到512K字节片上闪存、若干个32位定时器、脉宽调制（PWM）、通用通信接口如UART、SPI/SSP 及I2C、单或双10位8通道ADC和10位DAC等外设支持上述应用。LPC231X系列的架构框图如图1所示。
广泛的通信接口和片上SRAM（8K、16K和32 K字节）使芯片成为网关和协议转换器、软件调制解调器、语音识别和低端成像器件的有力竞争者。
功率及尺寸方面的考虑
优化微控制器功率最有效的设计技巧是采用一个实时时钟控制核处理器。这样，锁相环（PLL）能被抑制以控制处理器的速度。LPC213X系列的另一个功能是对外设进行管理，降低其速度或完全关闭。
由于采用了先进的制造工艺，基于ARM的微控制器系列提供了管脚兼容的小型封装。表1给出了LPC213X系列的封装形式及上述几种可选外设。
功能介绍
LPC213X系列简化的架构框图如图2所示。下面对其重要功能特点进行逐一介绍。
片上程序闪存
闪存系统的编程可以通过几种方式实现。串行端口可用于系统内编程。当应用运行时，它也可以对应用程序进行擦除或编写，这为现场固件升级提供了所需的灵活性。当使用片上引导程序时，闪存可作为用户代码使用。
功率控制
LPC213X系列支持以下两个降低功率的模式：
空闲模式。在这种模式下，指令停止运行。复位或中断恢复指令运行。该模式消除了处理器、存储系统、相关控制器及内部总线的功耗。继续运行的外设可产生中断，告知处理器再次执行指令。
掉电模式。在这种模式下，振荡器关闭，芯片接收不到内部时钟。由于动态运行暂停，功率几乎为零。不过，在掉电模式下，处理器的状态和寄存器、外设寄存器及内部SRAM值不受影响。芯片输出引脚的逻辑层仍处于静态。通过复位或无需时钟即可运行的特定的中断，可以中止该模式。
此外，LPC213X系列还可以关闭不用的外设。
脉宽调制
PWM模块是基于标准定时器的模块，定时器能计算出外设模块的周期，在达到特定的定时器值时，会产生中断或执行其他操作 。它能分别控制上升沿和下降沿，因而能扩大应用范围。例如，多相电机控制需要 3个非重叠的 PWM输出，以分别控制3个脉宽和定位。
两个匹配寄存器用于执行一个单边缘控制的PWM输出。一个匹配寄存器在匹配时复位计数值，用于控制PWM的循环速度；另一个用于控制PWM边缘定位。
每个外加的单边缘控制的PWM输出只需要 一个匹配寄存器。3个匹配寄存器可为PWM输出提供双边缘控制。
对于双边缘控制PWM输出，特定的匹配寄存器控制输出的上升沿和下降沿。 这样，正的PWM脉冲（上升沿先于下降沿发生）和负的PWM脉冲（下降沿先于上升沿发生）就能同时运行。
中断控制器
向量中断控制器（VIC）处理所有的中断请求，并对快速中断请求（FIQ）、向量中断请求（IRQ）或非向量IRQ加以分类。由于分配模式是可编程的，因而可以动态地分配和调整来自外设的中断优先级。
FIQ拥有最高的优先级。 如果一个以上的请求被划分为FIQ，VIC会将这些请求集中起来， 将FIQ信号输入ARM处理器。这样，FIQ服务程序可以读到来自VIC的命令，以判断哪一个或哪些FIQ源正在请求中断。
向量IRQ具有中等优先级。多达16种中断请求可以作为IRQ分配。任何一个中断请求都可以被分配到16个向量IRQ通道（slot）中的任意一个。通道0优先级最高，通道15优先级最低。
非向量IRQ优先级最低。通常，VIC为正在请求的最高优先级IRQ提供服务程序地址，或者为所有非向量IRQ提供共享的缺省程序地址。该缺省程序读取另一个VIC寄存器，以判断哪些IRQ处于激活状态。
UART和I/O控制器
除了标准传输和功能外，某些系列的两个UART中有一个调制解调器控制信号握手接口。
每个微控制器拥有两个I2C总线控制器。I2C为每个器件提供一个特定的地址，使器件可以在只接受或只传输的模式下运行。器件可以分为主从两种类型。I2C总线可以通过一个以上的总线主控进行控制，某些还支持高达400 kb/s的传输速率。
该器件还将一个SPI控制器和一个SSP控制器集成在一起。SPI能处理多个主从操作， 其最大数据位速率是输入时钟速率的1/8。SSP控制器可与多个主从操作互动，但是只有一种主从组合能在特定的数据传输期间进行通信。
结语
过去几年，标准微控制器在性能、功耗及功能组合方面有了长足的发展，同时保持了较低的单位成本。尽管微控制器不能提供与SoC相同的性能，但是能提供与 SoC类似的足够性能，且应用数量正在不断增长。因此，除了其原有的市场外，32位微控制器，尤其是基于ARM内核的微控制器，可以帮助SoC设计人员以低廉的成本迅速将产品推向市场。
本文摘自《世界电子元器件》
