典型MCU架构详解与主流MCU介绍

典型MCU架构详解与主流MCU介绍

在前面的介绍中，我们已经了解到MCU就是基于一定的内核体系，集成了存储、并行或串行I/O、定时器、中断系统以及其他控制功能的微型计算机系统，如图4.1是典型的MCU组成框图。

目前，虽然很多厂商采用了ARM内核体系，但是在具体的MCU产品上，各个公司集成的功能差异非常大，形成MCU百花齐放的格局，由于本书的重点是介绍32位MCU，所以我们将重点以恩智浦公司的MCU为例来介绍，这些MCU中，LPC3000、LH7A采用ARM9内核，LPC2000和LH7采用ARM7内核，LPC1000系列采用Cortex-M3或M0内核，通过这几个系列的介绍可以了解MCU的构成和差异。

4.1恩智浦LPC1000系列MCU

LPC1000系列MCU是以第二代Cortex-M3为内核的微控制器，用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。采用3级流水线和哈佛结构，其运行速度高达100MHz，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线，使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并包含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MCU又分为LPC1700系列和LPC1300系列，下面我们分开介绍。

4.1.1LPC1700系列MCU介绍

LPC1700系列ARM是以第二代的Cortex-M3为内核，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器，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。其操作频率高达100MHz，采用3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的高性能的第三条总线，使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并包含一个支持分支预测的内部预取指单元。

LPC1700系列ARMCortex-M3的外设组件：最高配置包括512KB片内Flash程序存储器、64KB片

内SRAM、8通道GPDMA控制器、4个32位通用定时器、一个8通道12位ADC、一个10位DAC、一路电机控制PWM输出、一个正交编码器接口、6路通用PWM输出、一个看门狗定时器以及一个独立供电的超低功耗RTC。

LPC1700系列ARMCortex-M3还集成了大量的通信接口：一个以太网MAC、一个USB2.0全速接口、4个UART接口、2路CAN、2个SSP接口、1个SPI接口、3个I2C接口、2路I2S输入和2路I2S输出。

1.LPC1700系列MCU关键特性：

*第二代Cortex-M3内核，运行速度高达100MHz；

*采用纯Thumb2指令集，代码存储密度高；

*内置嵌套向量中断控制器（NVIC），极大程度的降低了中断延迟；

*不可屏蔽中断（NMI）输入；

*具有存储器保护单元，内嵌系统时钟；

*全新的中断唤醒控制器（WIC）；

*存储器保护单元（MPU）；

*以太网、USBHost/OTG/Device、CAN、I2S；

*快速（Fm+）I2C、SPI/SSP、UART；

*电机控制PWM输出和正交编码器接口；

*12位ADC；

*低功耗实时时钟（RTC）；

*第二个专用的PLL可用于USB接口，增加了主PLL设置的灵活性；

*4个低功率模式：睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电，可通过外部中断、RTC中断、USB活动中断、以太网唤醒中断、CAN总线活动中断、NMI等中断唤醒；

*具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能的512KB片上Flash程序存储器；

*64KB片内SRAM包括：

*32KBSRAM可供高性能CPU通过本地代码/数据总线访问；

*2个16KBSRAM模块，带独立访问路径，可进行更高吞吐量的操作。这些SRAM模块可用于以太网、USB、DMA存储器，以及通用指令和数据存储；

*AHB多层矩阵上具有8通道的通用DMA控制器（GPDMA），结合SSP、I2S、UART、AD/DA转换、定时器匹配信号和GPIO使用，并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主机提供独立的总线。AHB主机包括CPU、通用DMA控制器、以太网MAC和USB接口。这个内部连接特性提供无仲裁延迟的通信；

*实用的LQFP80/100脚封装。

2.LPC1700系列中LPC1766方框图：

3.LPC1700系列MCU参数规格如下表所示：

4.1.2LPC1300系列MCU介绍

LPC1311/13/42/43是以第二代ARMCortex-M3为内核的微控制器，其系统性能大大提高，增强了调试特性，令所支持模块的集成级别更高。其最大亮点在于具有极高的代码集成度和极低的功耗，是业界功耗最低的32位Cortex-M3MCU。

LPC1300系列ARM微控制器的操作频率高达70MHz，具有3级流水线功能，并采用支持独立本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线的哈佛架构，使得代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，还包括了一个内部预取单元，支持分支预测操作。

LPC1311/13/42/43的外设组件：最高配置有32KB的Flash存储器、8KB的数据存储器、USB设备（仅对于LPC1342/43）、一个快速模式I2C接口、一个UART、四个通用定时器、42个通用I/O引脚。

1.LPC13XX系列MCU关键特性

*第二代Cortex-M3内核，高达70MHz的运行速度；

*内置有嵌套向量中断控制器（NVIC）；

*具有32KB（LPC1343/13）/16KB（LPC1342）/8KB（LPC1311）片上Flash程序存储器；

*10位ADC，在8个引脚中实现输入多路复用；

*在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）可通过片内引导装载程序软件来实现；

串行接口

*带有用于设备的片内PHY的USB2.0全速设备控制器（仅对于LPC1342/43）；

*可产生小数波特率、具有调制解调器、内部FIFO和支持RS-485/EIA-485标准的UART；

*SSP控制器，带FIFO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1Mbit/s，具有多个地址识别功能和监控模式；

其它外设

*多达42个通用I/O（GPIO）引脚，带可配置的上拉/下拉电阻，并有新的、可配置的开漏操作模式；

*4个通用定时器/计数器，共有4路捕获输入和13路匹配输出；

*可编程的看门狗定时器（WDT）；

*具有系统定时器；

*每个外设都具有其自身的时钟分频器，以进一步降低功耗；

*集成了PMU（电源管理单元），可在睡眠、深度睡眠和深度掉电模式中极大限度减少功耗；

*具有三种低功耗模式：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、IRC时钟、CPU时钟、看门狗时钟和USB时钟；

*掉电检测，具有4个独立的阀值，用于中断和强制的复位；

*12MHz内部RC振荡器可调节到1﹪的精度，可将其选择为系统时钟；

*PLL允许CPU在最大的CPU速率下操作，而无需高频晶振，可从主振荡器、内部RC振荡器或看门狗振荡器中运行；

*可采用48脚LQFP封装和33引脚HVQFN封装。

2.LPC13XX系列MCU方框图如下表所示：

3.LPC13XX系列MCU参数规格如下表所示：

4.1.3LPC1100--更高效能MCU向我们走来

2009年5月，恩智浦宣布推出将于2010年初推出基于Cortex-M0的LPC1100系列产品。LPC1100非常适合那些电池供电、电子计量、消费电子外围设备、远程传感器以及所有的16位应用。

ARMCortex-M0处理器是市场上现有的最小、能耗最低、最节能的ARM处理器。该处理能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位，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和混合信号设备及MCU应用中，可望明显节约系统成本，同时保留功能强大的Coretex-M0处理器的工具和二进制兼容能力。

Cortex-M0最大的优势在于能效。数据显示，其运算能力可以达到0.9DMIPS/MHz，但功耗却仅有80uW/MHz。这源于所谓的“超低功耗深度睡眠架构”，是因为采用了ARM180ULL库和PMK，所以相比传统8/16位MCU拥有更低的静态功耗。另外，尽管动态功耗与眼下的16位处理器相当，但是由于运算性能的提高，实际上处理器在执行同样的任务时所耗费的时间降低了，这就大幅降低了处理器的动态功耗。

ARMCortex-M0处理器关键特性：

*50MHz主频

*紧密耦合的巢状向量中断控制器快速确定性中断；

*唤醒中断控制器允许从优先级中断中自动唤醒；

*3个低功耗模式：睡眠，深度睡眠和深度掉电；

存储器；

*128KB的FLASH存储器；

*16KB的SRAM；

串行外围设备；

*带有分数波特率，内部FIFO，支持RS-485的UART；

*带有FIFO和多重协定能力的SPI控制器；

*I2C总线接口支持全速I2C总线规格和快速模式的波特率为1Mbps带有多样的地址识别和监控模式；

*模拟外围设备；

*8通道10位的A/D转换器，转换率高达250K采样每秒。

LPC1100系列是世界首款基于Cortex-M0内核的MCU，性价比高，LPC1100的代码和工具与恩智浦其他基于ARM内核