大容量Flash型AT91系列ARM核微控制器

1、    大容量Flash型AT91系列ARM核微控制器摘要：主要介紹美國Atmel公司最新推出的基于ARM7TDMI核的AT91FR40162微控制器的體系結(jié)構(gòu)及功能特性。AT91FR40162是對AT91R40008增加了16Mbit的Flash存儲器后形成的最終產(chǎn)品。本文對AT91FR40162新增的Flash存儲器以及AT91 Flash Uploader軟件作重點(diǎn)介紹。 關(guān)鍵詞：AT91FR40162 AT91R40008 SRAM Flash 微控制器引 言AT91FR40162是美國Atmel公司生產(chǎn)的AT91系列微控制器中的一員，具有ARM

2、7TDMI核、大容量Flash存儲器以及片內(nèi)SRAM和摘要：主要介紹美國Atmel公司最新推出的基于ARM7TDMI核的AT91FR40162微控制器的體系結(jié)構(gòu)及功能特性。AT91FR40162是對AT91R40008增加了16Mbit的Flash存儲器后形成的最終產(chǎn)品。本文對AT91FR40162新增的Flash存儲器以及AT91 Flash Uploader軟件作重點(diǎn)介紹。   關(guān)鍵詞：AT91FR40162 AT91R40008 SRAM Flash 微控制器引 言AT91FR40162是美國Atmel公司生產(chǎn)的AT91系列微控制器中的一員，具有ARM7TD

3、MI核、大容量Flash存儲器以及片內(nèi)SRAM和外圍。這種微控制器的特點(diǎn)是高性能-32位RISC體系結(jié)構(gòu)、高密度-16位指令集、低功耗以及實(shí)時性，擴(kuò)充的Flash存儲器還增加了開發(fā)者使用的靈活性。除此以外，大量的內(nèi)部分組寄存器加速了對異常的處理過程，從而使其更適合于實(shí)時控制的應(yīng)用。8級基于向量的優(yōu)先級中斷控制器和外圍數(shù)據(jù)控制器PDC大大增強(qiáng)了實(shí)時器件的性能。此器件適用于開發(fā)工業(yè)自動化系統(tǒng)、MP3、銷售終端、GPS接收機(jī)以及無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等對功耗敏感且要求具有實(shí)時性的產(chǎn)品。AT91FR40162微控制器的特點(diǎn)是在一個121-ball BGA封裝中集成了256 KB的片內(nèi)SRAM和16 Mbit的F

4、lash存儲器。它為許多計(jì)算密集的嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域提供了功能強(qiáng)大、使用靈活且性價比高的解決方案，同時還可以幫助用戶減小PCB尺寸和系統(tǒng)成本。Flash存儲器可以通過JTAG/ICE接口或者廠家編寫的Flash Uploader軟件進(jìn)行編程，從而使AT91FR40162適合于在系統(tǒng)可編程應(yīng)用。1 功能框圖及產(chǎn)品特點(diǎn)AT91FR40162的功能框圖如 圖1所示。AT91FR40162的主要特點(diǎn)是：ARM7TDMI處理器核、256 KB的片內(nèi)SRAM和1024 K字的16位Flash存儲器、完全可編程的外部總線接口EBI、具有8個優(yōu)先級且可以獨(dú)立屏蔽的向量中斷控制器、32個可編程的I/O口線、3通

5、道的16位定時器/計(jì)數(shù)器、2個通用同步/異步收發(fā)器USART、可編程的看門狗定時器、先進(jìn)的省電特性、完全靜態(tài)的操作、2.7 3.6 V的I/O工作范圍和1.651.95 V的內(nèi)核工作范圍、 -4085的運(yùn)行溫度范圍以及121-ball 10 mm×10 mm×1.2 mm BGA封裝（球的直徑為0.8 mm）。2 體系結(jié)構(gòu)AT91FR40162是由Atmel公司的AT91R40008 ARM/Thumb微控制器和1個AT49BV1604A/1614A 16Mbit Flash存儲器集成的121-ball BGA封裝器件。除了Flash存儲器使能信號以外的所有地址、數(shù)據(jù)和控制

6、信號都是內(nèi)部互連的。AT91R40008體系結(jié)構(gòu)包括2條主要總線：先進(jìn)的系統(tǒng)總線ASB和先進(jìn)的外圍總線APB。ASB被設(shè)計(jì)為最佳性能，由存儲控制器控制。ARM7TDMI通過ASB與片內(nèi)32位存儲器、外部總線接口EBI和AMBA橋進(jìn)行接口。AMBA橋驅(qū)動APB，APB被設(shè)計(jì)用于訪問片內(nèi)外圍并且進(jìn)行了低功耗優(yōu)化。AT91FR40162將ARM7TDMI處理器的ICE端口接到一些專用的引腳上，從而為目標(biāo)調(diào)試提供了完整、低價且易用的調(diào)試解決方案。2.1 存儲器AT91FR40162嵌入了256 KB的內(nèi)部SRAM。這個內(nèi)部存儲器是單周期訪問的，它直接與32位數(shù)據(jù)總線相連。這樣通過使用微控制器的ARM指

7、令集在66 MHz下可以提供60 MIPS的最高性能，同時降低了系統(tǒng)功耗。AT91FR40162以擁有1個外部總線接口EBI為特性，它用于連接外部存儲器和專用外圍設(shè)備。EBI支持8或16位器件并且可以使用2個8位器件來仿真1個16位器件。EBI執(zhí)行早讀協(xié)議，與標(biāo)準(zhǔn)的存儲器接口相比，能夠提供更快的存儲器訪問速度。AT91FR40162嵌入了1個由1024K個16位字組成的Flash存儲器，通過EBI可以訪問它。Flash的主要功能是作為程序存儲器。1條16位的Thumb指令可以在1個訪問周期從Flash存儲器被加載。分離的MCU和Flash復(fù)位輸入（NRST和NRSTF）是為了得到最大的系統(tǒng)靈活

8、性，方便用戶自由地根據(jù)應(yīng)用選擇復(fù)位操作。AT91FR40162集成了一個叫作AT91 Flash Uploader的駐留引導(dǎo)軟件。AT91 Flash Uploader軟件能夠向Flash存儲器加載應(yīng)用軟件。2.2 外 圍AT91FR40162集成了多個外圍，它們被分成2類：系統(tǒng)外圍和用戶外圍。所有的片內(nèi)外圍都可以通過AMBA橋接受32位的訪問。外圍寄存器由控制寄存器、模式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和使能/禁止/狀態(tài)寄存器組成。外圍數(shù)據(jù)控制器PDC在片內(nèi)USART和片內(nèi)或片外的存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)，并且無需處理器的介入。最重要的一點(diǎn)是，PDC消除了數(shù)據(jù)傳輸中斷的額外開銷，從而在不需要重新編程

9、起始地址的情況下可以連續(xù)傳輸高達(dá)64 KB的數(shù)據(jù)。這樣不僅增加了微控制器的性能，而且降低了功耗。（1）系統(tǒng)外圍外部總線接口（EBI）通過1條8位或16位數(shù)據(jù)總線控制外部存儲器或外部設(shè)備，它通過APB被編程。每一條芯片選擇口線有它自己的編程寄存器。省電模塊（PS）實(shí)現(xiàn)空閑模式（ARM7TDMI核時鐘停止直到有下一個中斷），并且允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整微控制器的功耗（由獨(dú)立的外圍時鐘控制）。先進(jìn)的中斷控制器AIC控制來自內(nèi)部外圍的中斷源和4個外部中斷口線（包括FIQ），從而為ARM7TDMI提供中斷或/和外部中斷請求。它通過集成1個8優(yōu)先級中斷控制器以及使用自動向量特性，降低了中斷延遲時間。并行輸

10、入/輸出控制器PIO控制高達(dá)32條I/O口線。它使用戶可以選擇特定的引腳作為片內(nèi)外圍的輸入輸出，或者作為通用的輸入/輸出信號?？梢跃幊蘌IO控制器來檢測每條線上的信號發(fā)生變化引起的中斷?？撮T狗定時器WD用于防止當(dāng)軟件進(jìn)入死鎖陷阱時產(chǎn)生系統(tǒng)鎖定。特殊功能SF模塊集成了芯片ID、復(fù)位狀態(tài)和保護(hù)寄存器。（2）用戶外圍2個獨(dú)立配置的USART可以高波特率進(jìn)行同步或異步通信。每一個USART還包含1個超時寄存器和1個時間確保（Time Guard）寄存器，從而方便了2個專用外圍數(shù)據(jù)控制器PDC通道的使用。3通道16位的定時器/計(jì)數(shù)器TC是高度可編程的，它支持捕獲或波形模式。每一個TC通道可以被編程為測量

11、或生成不同類型的波形，并且可以檢測和控制2個輸入/輸出信號。TC有3個外部時鐘信號。3 AT91FR40162性能概述AT91FR40162主要由AT91R40008和16 Mbit的Flash存儲器組成。因此AT91FR40162的許多性能與AT91R40008是一樣的。（1）電 源AT91R40008微控制器有2種類型的供電引腳： VDDCORE引腳，它為內(nèi)核提供電源（包括ARM7TDMI、嵌入的存儲器和外圍）； VDDIO引腳，它為I/O線提供電源。一個獨(dú)立的I/O電源允許靈活地進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)外部元件的信號電平。（2）輸入/輸出AT91FR40162的I/O引腳所接受的電平以VDDIO的

12、供電為限。復(fù)位以后，微控制器的外圍I/O初始化成輸入以提供給用戶最大的靈活性。在每個應(yīng)用階段，微控制器的輸入最好保持在有效的邏輯電平，以降低功耗。（3）主時鐘如果MCKI引腳由1個外部源提供，那么AT91FR40162則為一個完全靜態(tài)的設(shè)計(jì)，并工作于主時鐘MCK（Master Clock）下。主時鐘還在引腳MCKO上作為器件的輸出，這個引腳與一個通用I/O線復(fù)用。當(dāng)NRST處于活動狀態(tài)并且發(fā)生復(fù)位后，MCKO有效并輸出MCK信號的映像。必須編程PIO控制器來使用這個引腳作為標(biāo)準(zhǔn)I/O線。（4）復(fù) 位復(fù)位操作將使用戶接口寄存器恢復(fù)其缺省狀態(tài)（在每一個外圍的用戶接口中定義），并強(qiáng)制ARM7TDMI

13、從地址0執(zhí)行對下一條指令的取指操作。除了程序計(jì)數(shù)器之外的其它ARM7TDMI寄存器則沒有定義復(fù)位狀態(tài)。（5）NRST引腳NRST是低電平激活的輸入引腳。它被異步激活，但是從復(fù)位退出是與MCK內(nèi)部同步的。MCKI上出現(xiàn)的信號必須在NRST上升沿之前最少10個時鐘周期內(nèi)有效，以確保操作的正確性。第1個取指操作出現(xiàn)在NRST上升沿之后的80個時鐘周期。（6）看門狗定時器復(fù)位看門狗定時器可以被編程用來產(chǎn)生1個內(nèi)部復(fù)位。在這種情況下的復(fù)位操作與激活NRST引腳有同樣的效果，但是引腳BMS和NTRI不被采樣。引導(dǎo)模式和三態(tài)模式不被更新。如果NRST引腳被激活并且看門狗定時器觸發(fā)內(nèi)部復(fù)位，那么NRST引腳具

14、有優(yōu)先權(quán)。（7）仿真功能 三態(tài)模式AT91FR40162微控制器提供了1個用于調(diào)試目的的三態(tài)模式。它使能仿真探頭與目標(biāo)板連接，而不必先從目標(biāo)板焊下器件。在三態(tài)模式下，AT91R40008微控制器的所有輸出引腳驅(qū)動器都是禁止的。在三態(tài)模式下，提供通過外部引腳對Flash的直接訪問。這就使得在裝配板子之前可以使用傳統(tǒng)的Flash編程器對Flash進(jìn)行編程。為了進(jìn)入三態(tài)模式，NTRI引腳必須在NRST上升沿之前的最后10個時鐘周期內(nèi)保持低電平。對于正常的操作，NTRI引腳必須通過1個高達(dá)400 k的電阻復(fù)位為高電平。NTRI與I/O線P21和USART1串行數(shù)據(jù)傳輸線TXD1多路復(fù)用。 JTAG/I

15、CE調(diào)試JTAG/ICE端口支持ARM標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式在線仿真。引腳TDI、TDO、TCK和TMS專門用于這種調(diào)試功能，并且可以通過外部ICE接口與一個主機(jī)相連。在ICE調(diào)試模式下，ARM7TDMI核以非JTAG芯片ID作為響應(yīng)來標(biāo)識微控制器。這一點(diǎn)不完全符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)。（8）存儲控制器ARM7TDMI處理器的地址空間為4 GB。存儲控制器對內(nèi)部的32位地址總線進(jìn)行譯碼并定義了3種地址空間： 位于最低4 MB的內(nèi)部存儲器空間； 中間的地址空間為EBI控制的外部設(shè)備（存儲器或外圍）所保留； 位于最高4 MB的內(nèi)部外圍空間。不論在哪一個地址空間，ARM7TDMI只運(yùn)行于小端模式。 內(nèi)部存

16、儲器AT91FR40162微控制器集成了內(nèi)部SRAM。所有的內(nèi)部存儲器都是32位寬，并且支持字節(jié)（8位）、半字（16位）和字（32位）訪問，且這些訪問都是單周期的。內(nèi)部SRAM支持Thumb和ARM兩種取指方式，并且內(nèi)部存儲器可以存儲比ARM指令多1倍的Thumb指令。AT91FR40162微控制器集成了1個256 KB的SRAM存儲體。這個存儲體映射到地址0x0（重映射命令后），并且允許通過軟件修改0x0到0x20之間的ARM7TDMI異常向量。把SRAM放置在片內(nèi)并使用32位的數(shù)據(jù)總線帶寬增加了微控制器的性能，降低了系統(tǒng)功耗。32位總線與16位相比帶寬增加，從而提高了使用ARM指令集和數(shù)據(jù)

17、處理的效率，這是對ARM7TDMI先進(jìn)性能的最佳使用。能夠在256 KB的SRAM中動態(tài)地更新應(yīng)用軟件是AT91FR40162的另一特性。 引導(dǎo)模式選擇ARM復(fù)位向量在地址0x0。NRST口線被釋放后，ARM7TDMI執(zhí)行存儲于這個地址的指令。這就意味著復(fù)位之后這個地址必須映射到非易失的存儲器中。NRST上升沿之前的10個時鐘周期期間BMS引腳上的輸入用來選擇引導(dǎo)存儲器的類型，如表1所列。如果嵌入的Flash存儲器用作引導(dǎo)存儲器，BMS輸入必須被外部拉低，并且NCS0必須在外部與NCS7連接。表1 引導(dǎo)模式選擇BMS引導(dǎo)存儲器1NCS0上的外部8位存儲器0NCS0上的外部16位寄存器引腳BMS

18、與I/O線P24復(fù)用。復(fù)位以后，P24可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的PIO線一樣被編程。 Flash存儲器16 Mbit的Flash存儲器由1 048 576個16位字組成。Flash存儲器通過EBI進(jìn)行16位字尋址。它使用地址線A1A20。除了Flash存儲器使能信號以外，所有的地址、數(shù)據(jù)和控制信號都是內(nèi)部互連的。用戶應(yīng)當(dāng)把Flash存儲器使能信號（NCSF）和1個EBI上低電平有效的片選信號相連接。如果Flash存儲器作為引導(dǎo)存儲器使用，那么必須使用NCS0；同時BMS必須被外部拉低，以使處理器在復(fù)位后可以執(zhí)行正確的16位取指操作。引導(dǎo)時，必須為EBI配置正確的標(biāo)準(zhǔn)等待狀態(tài)數(shù)目。例如，當(dāng)微控制器運(yùn)行于6

19、6 Hz時，需要5個標(biāo)準(zhǔn)等待狀態(tài)。用戶必須確保所有的VDDIO、VDDCORE和所有的GND引腳通過最短的路線連接到各自的電源。Flash存儲器在讀模式下加電。命令序列用于將此器件置于其它的操作模式下，例如編程和擦除。為了增加靈活性而提供的分離的Flash存儲器復(fù)位輸入引腳（NRSTF），使能復(fù)位操作以適應(yīng)具體應(yīng)用。當(dāng)這個輸入為邏輯高電平時，存儲器處于它的標(biāo)準(zhǔn)操作模式；當(dāng)這個輸入為邏輯低電平時，暫停當(dāng)前的存儲器操作并使它的輸出置于高阻狀態(tài)。Flash存儲器的一個特性是它采用數(shù)據(jù)查詢來檢測一個編程周期的結(jié)束。當(dāng)處于編程周期時，一個試圖讀取最后一個寫入字的操作在I/O7上返回寫入數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼值。開漏

20、NBUSY輸出引腳提供另一種檢測編程周期或擦除周期是否結(jié)束的方法。當(dāng)處于編程或擦除周期時，這個引腳被拉低，這個周期結(jié)束以后引腳恢復(fù)高電平。使用1個翻轉(zhuǎn)位提供了檢測編程或擦除周期是否結(jié)束的第3種方法。Flash存儲器被分為2個存儲區(qū)（plane）。當(dāng)從一個存儲區(qū)執(zhí)行讀操作時，在另一個存儲區(qū)可以同時執(zhí)行編程或擦除功能。這一特性使得在執(zhí)行讀操作之前不需要系統(tǒng)等待一個編程或擦除周期的完成，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能。為了方便擦除操作，F(xiàn)lash存儲器被分成了39個扇區(qū)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)器件靈活性，還提供了擦除掛起特性。這一特性使得擦除周期被掛起一段不確定的時間，并允許用戶執(zhí)行從同一個存儲區(qū)內(nèi)任何一個其它扇區(qū)的

21、讀數(shù)據(jù)操作或向其寫數(shù)據(jù)的操作。如果所讀的數(shù)據(jù)在另一個存儲區(qū)，則不需要掛起擦除周期。此器件具有保護(hù)存儲在任一扇區(qū)中的數(shù)據(jù)不被破壞的能力。一旦對于某個扇區(qū)的數(shù)據(jù)保護(hù)被使能，那么，當(dāng)輸入電平處于地和VDDIO之間時，那個扇區(qū)的數(shù)據(jù)不能被改變。1個可選的VPP引腳用于增加編程/擦除次數(shù)。以6字節(jié)命令序列進(jìn)入的單脈沖編程模式（Single Pulse Program Mode）允許器件使用寫控制線上的單脈沖直接被寫入。通過器件掉電或者使NRSTF引腳為低電平并至少保持50 ns，然后將其恢復(fù)為VDDIO，退出單脈沖編程模式。以下硬件特性保護(hù)Flash存儲器，避免其不小心被編程： VDDIO敏感-如果VD

22、DIO低于1.8 V（典型情況），編程功能被禁止； VDDIO上電延遲-一旦VDDIO到達(dá)VDDIO的敏感電平，器件將自動地在編程之前超時10 ms（典型情況）； 編程禁止-保持OE為低、CE為高或WE為高中的任意一個，將禁止編程周期； 噪聲濾波-出現(xiàn)于WE或CE輸入上的低于15 ns（典型情況）的脈沖將不會啟動編程周期。4 AT91 Flash Uploader軟件所有基于Flash的AT91器件都配備一個叫作AT91 Flash Uploader的預(yù)編程軟件，它駐留在嵌入的Flash存儲器的第1個扇區(qū)。Flash Uploader允許通過串口向嵌入的Flash編程。Flash Upload

23、er可以使用任一個片內(nèi)USART。Flash Uploader的運(yùn)行環(huán)境如圖2所示。（1）Flash Uploader操作Flash Uploader軟件需要使用嵌入的Flash存儲器作為引導(dǎo)存儲器，還需要為MCKI提供1個有效的時鐘。復(fù)位以后，F(xiàn)lash Uploader立即復(fù)制軟件本身到內(nèi)部的SRAM并跳轉(zhuǎn)到那里。隨后的操作將只需要這個存儲器資源。所執(zhí)行的外部訪問只是編程嵌入的Flash存儲器。開始以后，處理器初始化2個USART的RXD引腳的PIO輸入變化中斷。中斷出現(xiàn)時，啟動1個定時器/計(jì)數(shù)器通道；當(dāng)在RXD線上檢測到下一個輸入變化時，則停止這個定時器/計(jì)數(shù)器通道。這就解釋了如何測量第1個字符長度，以及如何通過計(jì)算器件主時鐘和實(shí)際通信時的波特率速度之間的比率來初始化USART