（四）工控MCU優秀產品和解決方案

　　恩智浦LPC1800系列MCU產品簡介

　　LPC1800 MCU是具有業界性能最高的ARM Cortex-M3的微控制器，是工控MCU優秀作品典型代表。

　　LPC1800系列MCU具備的優勢：LPC1800采用恩智浦90nm超低漏電制程技術工藝，帶來低功耗高性能的大容量存儲器，具有運行速度更快、動態功耗更低的特點，獨有的低漏電最佳化設計將待機模式下的漏電流降低10-100倍；LPC1800為Cortex-M3提供業界最大的片內SRAM，多單元最高可達200KB，每個單元都有獨立總線訪問，具有更高吞吐量，可分別進行關斷控制進入低功耗工作模式；雙單元1MB Flash架構提供最可靠的應用中重新編程，支持不間斷的Flash操作；LPC1800具有無縫高速四路SPI接口和可配置定時器子系統；LPC1800的其他外設包括兩個高速USB控制器、片內高速PHY、高分辨率彩色LCD控制器和AES解密算法；它集存儲、外設、架構以及ARM核技術于一體并予以整體優化，在引腳和軟件方面極易升級兼容。

表 LPC1800系列 MCU 選型表

　　恩智浦LPC1800MCU硬件框圖如下圖所示：

　
　圖 恩智浦LPC1800硬件框圖

　　LPC1800系列MCU的標準特性：該系列所有產品標準特性包括含有啟動代碼的32 KB ROM和On-chip軟體驅動器、8通道通用DMA （GPDMA）控制器，兩個10位元ADC （Analog-to-Digital Converter）和一個轉換採樣速率為400k/s的 10位元ADC、馬達控制PWM和正交編碼器介面、4個UART、2個快速模式I2C、I2S、2個SSP/SPI、智慧卡介面、4個計時器、視窗監視計時器、警報計時器、具256位元電池供電備份暫存器的超低功耗RTC以及高達80個通用I/O引腳。

　　恩智浦LPC1800 MCU關于嵌入式閃存選型解決方案

　　目前恩智浦開發出一種新型外設接口技術，該技術在基于ARM Cortex-M3內核的最新LPC1800微控制器上已得到成功應用。嵌入式系統設計人員利用該技術可將串行閃存取代并行閃存，縮小封裝尺寸，降低系統成本。這種稱為SPI閃存接口（SPIFI）的技術目前已申請專利，通過該技術可將外部串行閃存映射到微控制器內存，實現片上內存讀取效果。SPIFI為設計人員提供了一種創新解決方案，在保持系統性能的同時達到簡化配置、縮小封裝體積、減少板載空間占用和節約系統成本的目的。

　　外部閃存的作用

　　采用32位微控制器（MCU）的嵌入式應用目前越來越復雜，需要完成多媒體、照片和其他各種數據密集型內容的管理任務。特別是人機接口系統，用戶現在都希望有圖形顯示，通過窗口、圖片、動畫、聲音和其他多媒體方式實現人機對話。此外，隨著市場的國際化，產品需要滿足多國語言要求，支持各種字母和字符。所有這些都對系統存儲資源提出了更高要求。

　　大部分32位微控制器都配有片上閃存，用于支持各種數據密集型功能，但是這種內存容量有限，通常無法滿足整體應用要求。片上閃存通常不足1Mb，雖然能夠解決主要應用代碼存儲，卻無法滿足其他應用資料的保存要求，比如：查找表單、圖像、照片、聲音文件、多國語言等。為此，設計人員通常要使用外部閃存。

　　與片上閃存相比，外部閃存成本要低很多，而且通常都有8Mb以上的現貨。使用外部閃存可以增加系統靈活性，系統運行時能夠更新升級軟件。

　　并行閃存與串行閃存的艱難選擇：對于外部閃存選型（串行和并行），設計人員通常要綜合評估，折衷考慮。并行閃存的速度通常比串行閃存快，但需要使用更多管腳、PCB布線和板載空間。

　
　圖 串行和并行閃存的典型傳輸速率

　　上圖給出了串行和并行閃存典型的數據傳輸速率。對于并行閃存，圖中假定無緩沖，固定存取時間為90ns?；谏鲜鰲l件，16位并行閃存的最大傳輸速率22Mb/s。對于串行閃存，最大時鐘頻率80MHz的每位傳輸速率為80Mb/s，四通道串行閃存最大傳輸速率為40Mb/s。雖然該計算忽略了控制位，但四通道SPI閃存支持burst位，而SPIFI接口支持該功能，因此SPIFI接口可以達到上述傳輸速率。上圖的分析，通過下表可以明顯看出。

　　表 串行和并行閃存的典型傳輸速率

　　如上表所示，典型的16位并行閃存每秒傳輸速率為22Mb。對于使用32位微控制器和32位外部閃存通信總線的系統（如恩智浦產品），設計人員可以選擇使用兩個16位并行閃存達到40Mb/s的傳輸速率。但是，增加速度的同時也會增加成本。這種配置使用兩個獨立的并行閃存，每個閃存有數十個封裝管腳，無論是封裝尺寸、管腳數量，還是PCB空間占用，都會遠遠超出設計人員的承受范圍。

　　串行閃存通常使用簡單的四針串行外設接口（SPI），從空間占用、功耗和成本等因素考慮是并行閃存的理想替代產品，但是傳輸速率非常低。通過上圖和上表我們可以看到典型SPI閃存50MHz的傳輸速率僅為5Mb/s，而采用兩個16位并行閃存配置系統的傳輸速率是其8倍。另一個問題就是大多數微控制器SPI接口都與MCU外設矩陣連接，處理器訪問數據前必須先由驅動器代碼接收到內容并保存在板載RAM中。由于每次讀取串行閃存都要通過SPI軟件層，因此速度無法提高。對于采用標準SPI接口的外部閃存應用，速度可能無法滿足要求。

　　新型四通道SPI閃存采用改進的6針SPI配置，數據傳輸速率遠高于傳統的SPI接口。如表所示，四通道SPI每秒最大傳輸速率可達40Mb，與兩個16位并行閃存速度相當。由于減少了管腳數量和封裝尺寸，與并行方案相比，四通道SPI串行閃存可有效降低成本。雖然四通道SPI閃存完全可替代嵌入式系統中的并行閃存，但目前32位微控制器設計并不支持四通道SPI閃存的最大傳輸速率。這主要是因為四通道SPI接口與傳統的SPI接口連接方式相同，直接連接了微控制器外設矩陣。

　　恩智浦新開發的SPI閃存接口（SPIFI）可以徹底解決并行/串行閃存的選型困擾。已申請專利的SPIFI外設可以將低成本SPI和新型四通道SPI閃存映像到ARM Cortex-M3內存中。與外部并行閃存方案相比，使用SPI外部閃存的MCU性能損失非常小。由于外部SPI閃存完整的內存空間可以映像到MCU內存中，微控制器對外部閃存直接訪問，無需使用軟件API或庫。

　　例如，使用四通道SPI閃存，SPIFI外設傳輸速率可達40Mb/s。設計人員可以選擇更便宜的SPI閃存器件，在保證性能的基礎上縮小腳位尺寸，簡化配置。由于系統無需針對外部并行閃存使用龐大的接口設計，設計人員還可以選擇體積更小、成本更低的微控制器。嵌入式系統采用SPIFI外設可以提高內存資源利用率，縮小尺寸，提高效率，降低系統總成本。

　　SPIFI外設是恩智浦LPC1800系列ARM Cortex-M3微控制器率先采用的一種專用技術。此外，即將面市的新產品還包括低成本Cortex-M0系列和Cortex M4數字符串行控制器（DSC）。

　　SPIFI支持目前市場上大部分串行閃存器件（含四通道讀/寫產品），配置編程非常簡便，采用4/6引腳設計（取決于串行閃存類型），支持小型寄存器組，優化內存事務，其軟件指令可降低CPU開銷，提高內存數據交換效率。

　　SPIFI工作原理：下圖給出了SPIFI外設的功能框圖。SPIFI功能塊與微控制器應用的高速總線（AHB）矩陣連接，后者主要用于處理器內核和片上內存。SPIFI將外部SPI閃存內容映射到微控制器內存中。當片上ROM啟動代碼激活SPIFI接口后，外部SPI內存與核心處理單元上的片上內存功能完全相似。

　
　圖 SPIFI外設功能框圖