Описание процессора ARM9

МИКРОКОНТРОЛЛЕР LPC3180 (ARM9) —ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ЯДРА ARM9

МК LPC3180 построен на базе ядра 32/16-разрядного процессорного ядра с архитектурой ARM — ARM926EJ-S, относящегося к семейству ядер ARM9E. Ядра ARM являются разработкой одноименной английской компании, название которой расшифровывается как Advanced RISC Machines. Компания ARM поставляет свои разработки в электронной форме, на основе которой ее «кремниевые» партнеры конструируют свои собственные МК. Среди партнеров компании – такие производители, как NXP (Philips), Analog Devices, Atmel, Texas Instruments, Cirrus Logic, Fujitsu, Intel, Motorola, ST Microelectronics. По некоторым оценкам, архитектура ARM уже охватывает до 75% рынка 32-разрядных встраиваемых RISC-микропроцессоров.В настоящее время разработано шесть основных семейств ARM: ARM7™, ARM9™, ARM9E™,ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Как дополнение, в ядро ARM могут интегрироваться несколько расширений: Thumb® — 16-разрядный набор команд, улучшающий эффективность
использования памяти программ; DSP — набор арифметических
команд для цифровой обработки сигналов;

Jazelle™ — расширение для аппаратного непосредственного исполнения Java-команд; Media — расширение для 2-4-кратного увеличения производительности при обработке аудио и видео сигналов. Процессорное ядро ARM9E (ARM9E-S Thumb) — это процессор ARM9TDMI™, расширенный возможностями поддержки алгоритмов цифровой обработки сигналов (DSP) и предназначенный для таких применений, в которых необходимо сочетание возможностей микроконтроллера и DSP. Кроме того, в ядро может быть включен математический сопроцессор VFP9-S, поддерживающий операции с плавающей точкой над данными двойной точности. В ядро МК LPC3180 такой сопроцессор включен.

Основные области применения ядер ARM9E-S Thumb — цифровые системы телекоммуникации и реализация сложных алгоритмов управления. МК на их основе используются в мобильных телефонах, модемах, сетевых картах, карманных компьютерах, автомобильной электронике. Благодаря DSP-расширениям ядро ARM9ES Thumb может быть эффективно использовано в аудиокодировании (Dolby AC3, MPEG MP3), передаче голоса через Интернет, антипробуксовочных тормозных системах (ABS), контроллерах HDD и DVD, персональных информационных устройствах (PDA).

По стандартам ARM производительность процессора ARM9TDMI составляет 133 MIPS при тактовой частоте 120 МГц и технологии CMOS с топологическими нормам 0,35 мкм. При топологии 0,25 и 0,18 мкм рабочая тактовая частота составляет более 200 МГц, а производительность — более 220 MIPS.

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ LPC3180

Ядро МК LPC3180 выполнено по гарвардской архитектуре с раздельной памятью команд и данных, содержит пятиуровневый конвейер с отдельными кэш-буферами данных и команд размерами 32к, а также встроенный математический сопроцессор (VFB9) для операций с плавающей точкой.Встроенный блок управления памятью (MMU) со страничной организацией обеспечивает выполнение сложных команд, характерных для DSP, всего за один системный такт. Встроенный Javaсопроцессор обеспечивает возможность реализации Java-приложений, в т.ч. операционных систем (Linux, Windows CE) и прикладного Java-кода.
МК LPC3180 имеет следующие типовые особенности:

• ARM926EJ-S-ядро c тактовой
частотой до 208 МГц (производительность
до 220 MIPS);
• Кэш-память команд размером 32к и кэш-память данных размером 32к;
• Встроенная память SRAM размером 64к;
• Многослойная матрица шины AHB (AMBA Advanced High-performance Bus), которая обеспечивает отдельную шину для каждого ведущего устройства AHB, включая шину команд и данных центрального процессора, две шины данных для каждого контроллера DMA и шину для USB-контроллера. В случае одновременного обращения двух ведущих устройств к одному и тому же ведомому время задержки на арбитраж отсутствует;
• Контроллер внешней оперативной памяти, который поддерживает DDR и SDR SDRAM;
• Два контроллера NAND Flash, каждый из которых поддерживает отдельное внешнее устройство NAND Flash. Размер внешней NAND Flash-памяти может достигать 2 Гбит;
• Контроллер прерываний, поддерживающий 60 источников прерываний;
• Контроллер шины AHB DMA общего назначения (GPDMA), который может использоваться с портом SD-карты, высокоскоростными портами UART и интерфейсами SPI, так же для перемещения данных «из памяти в память»;
• Последовательные интерфейсы:
– USB-хост (OHCI-совместимый), USB-устройство и блок OTG с PHY, связанный с соответствующим контроллером DMA. Специальный модуль ФАПЧ (PLL) обеспечивает требуемую для USB тактовую частоту 48 МГц;
– четыре стандартных интерфейса UART с раздельным формированием скоростей обмена, один UART с поддержкой IrDA. Все интерфейсы UART имеют 64-байтовые буфера FIFO;
– три высокоскоростных интерфейса UART, обеспечивающих обмен со скоростями до 921600 бит/с, с основным задающим генератором с частотой 13 МГц;
– два SPI-контроллера;
– два отдельных мастер-интерфейса I2C со стандартными выводами с открытым стоком.
• Другие периферийные устройства:
– интерфейс карт памяти Secure Digital (SD);
– линии ввода, вывода и ввода-вывода общего назначения: 12 входов (I), 24 выхода (O) и 6 входов-выходов (I/O);
– 10-разрядный АЦП, тактирующийся частотой 32 кГц. Вход блока АЦП может мультиплексироваться с тремя выводами МК;
– часы реального времени (RTC) с отдельным входом питания, тактирующиеся отдельным генератором с частотой 32 кГц. Блок RTC содержит 128 байт сверхоперативной памяти и может функционировать, в то время как все остальные части МК отключены;
– 32-разрядный универсальный высокоскоростной таймер с 16-разрядным предварительным делителем. Таймер имеет внешний вход захвата, а сам захват может быть связан с тактовым генератором RTC. Прерывания от таймера могут генерироваться с использованием трех регистров совпадения;
– 32-разрядный таймер отсчета миллисекундных интервалов, управляемый от тактового генератора RTC. Прерывания от этого таймера могут генерироваться с использованием двух регистров совпадения;
– 32-разрядный сторожевой таймер, который тактируется частотой синхронизации встроенной периферии (PERIPH_CLK);
– два блока ШИМ (PWM), обеспечивающие частоту выходных сигналов до 50 кГц при тактировании от системной частоты 13 МГц. Тактирование ШИМ может осуществляться также от генератора 32 кГц;
– сканирующее устройство для внешней клавиатуры, обеспечивающее автоматическое сканирование клавиатурной матрицы размером до 8x8 клавиш;
– до 18 внешних прерываний.

• Стандартный интерфейс ARM для тестирования/отладки,
совместимый с существующими инструментальными средствами;
• Буфер трассировки эмуляции Emulation Trace Buffer (ETB) размером 2к x 24 бит RAM, позволяющий производить трассировку через встроенную макроячейку трассировки (ETM9);
• Наличие режима останова (Stop mode), что позволяет производить перезапуск центрального процессора при сохранении многих периферийных функций;
• Генератор на кристалле с внешним кварцевым резонатором;
• Система ФАПЧ (PLL) на кристалле, позволяющая тактировать центральный процессор максимально возможной для него частотой без необходимости применения высокочастотного генератора. Другая встроенная система PLL позволяет вырабатывать для блока RTC частоту 32 кГц, не используя внешний кварцевый генератор;
• Возможность производить поверхностное (граничное) сканирование через встроенный порт JTAG для упрощения контроля платы целевой пользовательской системы;
• Исполнение в корпусе TFBGA с 320 выводами;
• Напряжение питания ядра — 1,2 В, периферии и линий I/O — 3 В и 1,8 В соответственно;
• Способность МК работать в энергосберегающем режиме при напряжении питания 0,9 В.

Обобщенная структурная схема МК LPC3180 приведена на рисунке 1, а более полная функциональная блок-схема — на рисунке 2. Для получения более подробных сведений о LPC3180 рекомендуется обратиться к источнику.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ LPC3180

МК LPC3180 обладает целым рядом весьма привлекательных для разработчиков особенностей, которые делают его использование предпочтительным в большом секторе приложений.

Важной особенностью LPC3180 является наличие сопроцессора для работы с числами с плавающей точкой (VPF9). Он может выполнять операции сложения, вычитания, деления и умножения с числами одинарной и двойной точности. VFP9 имеет 3 отдельных конвейера для операций MAC с плавающей точкой. В случае работы с числами одинарной точности операции деления и вычисления квадратного корня выполняются за два тактовых цикла, остальные — за один. Для чисел двойной точности команды умножения и умножения с последующим сложением выполняются за два цикла. VPF9 совместим со стандартом IEEE 754, который предусматривает конвертацию между целочисленными числами и числами с плавающей точкой.

Устройство LPC3180 имеет в своем составе многослойную AHB-матрицу для межблочной связи. Обычная высокоскоростная шина AHB является частью архитектуры ARM и представляет собой широкополосную шину с низким временем ожидания, которая поддерживает арбитраж между ведущими устройствами и механизм предоставления/запроса. Для систем, где есть только одно устройство управления шиной (CPU) или два таких устройства (CPU и DMA), проблем при обращении CPU к памяти не возникает. Однако, если в системе много таких устройств, то при обращении CPU к внешней памяти пропускной способности единственной шины AHB может не хватать. Многослойная AHB-матрица заменяет механизм предоставления/запроса и арбитража механизмом мультиплексирования, который переносит арбитраж на уровень устройств. Матрица позволяет, в частности, организовать одновременный доступ к одной области памяти CPU и контроллера DMA. Для МК, работающего на тактовой частоте 200 МГц, указанный подход обеспечивает существенно лучшие временные характеристики доступа, чем традиционный одноуровневый арбитраж.

Следующая важная особенность устройств LPC3180 — наличие аппаратных интерфейсов для подключения различных типов памяти, обеспечиваемые контроллером внешней памяти (EMC). EMC позволяет работать с высокоскоростной SDRAM и NAND Flash-памятью (обычной и многоуровневой), связан с DMA, что позволяет ведущим шинным устройствам DMA производить перемещение данных во внешнюю память. EMC имеет буферизацию записи и способен разделять ведущие устройства по их приоритетам. Пиковая полоса пропускания EMC составляет 400 Мбайт/с. Временные характеристики интерфейса памяти программируются через специальные регистры МК, что обеспечивает большую гибкость при работе с устройствами памяти различных моделей и производителей. Размер подключаемой SDRAM может достигать 1 Гбит, а разрядность (количество линий в шине данных) — 32 бит. Если используется SDRAM меньшей разрядности, то свободные линии шины МК могут использоваться как линии GPIO. Размер подключаемой NAND Flash может достигать 2 Гбит, а разрядность — 8 бит. При доступе к NAND Flash контроллер реализует аппаратное кодирование с исправлением одиночных ошибок.

Следует заметить, что встроенной Flash-памяти программ МК LPC3180 не имеет и, таким образом, может автономно функционировать только в так называемом режиме микропроцессора, т.е., с внешней NAND Flash-памятью. Впрочем, аналогичная ситуация характерна и для МК с ядрами ARM9 других производителей. При этом заметим также, что LPC3180 может выполнять программу из встроенных 64к SRAM без обращения к Flash.

В LPC3180 впервые среди всех МК ARM Philips на кристалле имеется модуль USB 2.0 On-The-Go (OTG), аппаратно поддерживающий функции USB-устройства, USB-хоста (протокол HPN) и режим двунаправленной передачи данных OTG (протокол SPR). Это позволяет обеспечить простое подключение МК к широкому классу устройств с USB-интерфейсом, таких как КПК, считыватели смарт-карт, принтеры, Flash-диски. Интерфейс USB LPC3180 содержит шестнадцать логических (32 физических) конечных точек, поддерживающих обмен с максимальным размером пакетов. LPC3180 имеет 8 каналов DMA, которые могут оперативно программироваться для работы как с различными последовательными интерфейсами (например, USB) так и для операций с памятью.

При этом DMA поддерживает 8-, 16- и 32-разрядный режимы. Контроллер прерываний LPC3180 содержит три основных блока, которые способны обслужить до 60 источников прерываний. Каждый источник может быть индивидуально разрешен или запрещен и сконфигурирован на срабатывание по уровню или по фронту сигнала. Для обеспечения быстрой реакции МК на внешние сигналы 6 линий ввода-вывода общего назначения и 12 входов общего назначения могут генерировать собственные прерывания. LPC3180 содержит необычно большое количество (семь) портов UART, что делает его весьма привлекательным в качестве платформы для встраиваемых систем, к которым предполагается подключение внешних устройств по интерфейсам RS-232/485. Четыре порта стандартные, совместимые со спецификацией INS16Cx50 и обеспечивающие скорость обмена до 460800 бит/с, а остальные три — высокоскоростные (скорость до 921600 бит/с). Все порты имеют 64-байтные приемные и передающие буферы FIFO, а три из них могут использовать DMA. Триггер прерываний от UART можно настроить на срабатывание на поступление в буфер FIFO различного количества байт, а не только на заполнение. Один из портов UART имеет кодер интерфейса IrDA и декодер, который конвертирует данные UART в фреймы IrDA.

Интерфейсы SPI LPC3180 имеют буферизацию (64 бита FIFO), поддерживают скорость обмена до 52 Мбит/с и могут использовать DMA.
Интерфейсы I2C LPC3180 поддерживают только режим ведущего, имеют буферизацию (4 слова FIFO), поддерживают обмен с частотой до 400 кГц и имеют собственное прерывание.

Интерфейс поддержки стандартных карт памяти Secure Digital (SD) обеспечивает функции SD-хоста, производя передачу данных с частотой до 25 МГц через 4-битовый SD-интерфейс. SD-контроллер имеет 16 буферов FIFO и поддерживает режим DMA.

Текущее разрешение встроенного блока АЦП LPC3180 может программироваться в диапазоне от 3 до 10 разрядов. В самом медленном 10-разрядном режиме частота выборок АЦП составляет 400 кГц.

Тактирование LPC3180 может осуществляться от двух источников: от основного генератора с внешним кварцевым резонатором или от генератора с частотой 32 кГц, который также используется для тактирования блока RTC. Частота основного генератора умножается в PLL для формирования тактовой частоты ядра (до 208 МГц). Частота 32 кГц также может использоваться в качестве входной для PLL тактирования ядра, однако, при этом несколько уменьшается стабильность тактовой частоты.

С точки зрения энергопотребления LPC3180 может функционировать в обычном (рабочем) режиме и двух энергосберегающих. В рабочем режиме при напряжении питания ядра 1,2 В и тактовой частоте 200 МГц ток потребления ядра составляет около 80 мА. Его можно понизить путем понижения тактовой частоты, что достигается программным конфигурированием основной PLL или шины AHB. Кроме того, для энергосбережения ненужные в приложении периферийные устройства могут индивидуально отключаться. При отключении основной PLL МК переходит в режим Direct RUN, в котором ядро и вся периферия (кроме USB) тактируются напрямую от основного кварцевого генератора. Потребление ядра в таком режиме составляет около 7 мА при тактовой частоте 13 МГц и напряжении питания ядра 0,9 В. Еще более экономичным является режим Stop mode, в котором производится останов ядра и шины AHB, а блок USB остается активным. Ток потребления при этом уменьшается до 500 мкА. Для облегчения освоения МК LPC3180 на рынке уже появились оценочные платы на основе этого устройства, например, компании Nohau с поддержкой ОС Linux .

Основными конкурентами LPC3180 на российском рынке МК ARM9, очевидно, можно считать устройства семейства AT91SAM926x фирмы Atmel, также построенные на базе ядра ARM926EJ-S. Подобно LPC3180, они имеют широкий набор разнообразной встроенной периферии, однако, немного проигрывают LPC3180 в производительности (максимальная тактовая частота AT91SAM9260 — 190 МГц, AT91SAM9261 — 200 МГц).