Микроконтроллеры c ARM-архитектурой компании NXP

А. Башлыков (NXP Semiconductors)
Новости Электроники 17, 2007

Компания NXP Semiconductors является мировым лидером по количеству выпускаемых моделей микроконтроллеров с ядром ARM. Она выпускает более 50 вариантов таких изделий на основе пяти различных версий ARM-ядер. В статье – краткий обзор ARM-микроконтроллеров, который позволит разработчику сориентироваться в многообразии этой группы продукции NXP.

АRМ-технология родилась в 1983 году, в недрах компании Acorn Computers. Первое работающее ядро ARM2 (в то время аббревиатура ARM расшифровывалась как Acorn RISC Machine) было создано в 1986 году. Особенностями этого ядра были 32-битная шина данных, 26-битная шина адресов, позволявшая работать с 32 Мбайт-адресным пространством, и шестнадцать 32-битных регистров. ARM2 был, по сути, одним из простейших 32-битных процессоров: он состоял всего из 30 тыс. транзисторов. В дальнейших версиях структура ядра получала различные усложнения в виде кэш-памяти, дополнительных регистров и увеличения производительности.

В результате совместных усилий трех компаний: Acorn Computers, Apple Computer и VLSI Technology в 1990 году была образована компания Advanced RISC Machines ltd. В середине 90-х годов процессоры на базе ARM-архитектуры с успехом использовались в миникомпьютерах Newton компании Apple. В дальнейшем различные варианты АRМ-архитектуры использовались в мобильных приложениях, игровых приставках, сетевых маршрутизаторах, MP3-плеерах и мобильных телефонах. К 2005 году мировой объем выпущенных устройств с АRМ-ядром превысил 1,5 млрд. устройств.

NXP и АRM

В июне 1999 года, в результате поглощения компанией Philips Electronics компании VLSI Technology, началась история сотрудничества NXP и АRМ. В 2003 году NXP выпустила на рынок первые стандартные АRМ-микроконтроллеры семейства LPC2000. В этом семействе используется высокопроизводительное ядро ARM7TDMI-S с тактовой частотой 60МГц. Это были первые МК ARM7, изготовленные по технологии производства 0,18 мкм в небольшом 48-выводном корпусе. В 2004 году была анонсирована серия LPC213x, с единым питанием 3,3 В и с объемом встроенной флэш-памяти до 512 Кб. В 2004 году к МК серии LPC213x были добавлены быстрые порты ввода-вывода, позволяющие переключать порт с частотой до 15 МГц, и контроллер USB 2.0.

В 2006 году NXP выпустила МК LPC288x с 1 Мб flash-памяти и встроенным контроллером High-speed USB. В 2007 году запущено в производство новейшее семейство микроконтроллеров LPC23xx/24xx. Эти передовые МК, изготовленные по технологии 0,14 мкм, объединяют в себе несколько высокоскоростных интерфейсов. Конфигурация шины AHB и эффективная реализация DMA позволяет работать одновременно протоколам Ethernet 10/100, Full-speed USB Host/Device, CAN и LCD без снижения общей производительности системы.

Покупка у компании Sharp семейства МК BlueStreak позволила NXP выйти в лидеры на мировом рынке по величине портфолио ARM-микроконтроллеров. На сегодняшний момент у NXP насчитывается более 50 вариантов АRМ-микроконтроллеров на основе пяти различных версий ARM-ядер. Семейство LPC2000 подразделяется на три основные группы, каждая из которых имеет определенные технические особенности. 

АRМ7-микроконтроллеры NXP

Таблица 1. Микроконтроллеры NXP с ядром ARM7. Первая группа   

Модель	Выво- ды	Флэш- память	ОЗУ	Интерфейс внешней памяти	Порты ввода/ вывода	АЦП	SPI	CAN	Тактовая частота, МГц
LPC2104	48	128K	16K	нет	32	нет	1	нет	60
LPC2105	48	128K	32K	нет	32	нет	1	нет	60
LPC2106	48	128K	64K	нет	32	нет	1	нет	60
LPC2109	64	64K	8K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	1	60
LPC2114	64	128K	16K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	нет	60
LPC2119	64	128K	16K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	2	60
LPC2124	64	256K	16K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	нет	60
LPC2129	64	256K	16K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	2	60
LPC2194	64	256K	16K	нет	46	4-кан. 10 бит	2	4	60
LPC2210	144	нет	16K	8/16/32 бит	76	8-кан. 10 бит	2	нет	75 (/01- версия)
LPC2212	144	128K	16K	8/16/32 бит	112	8-кан. 10 бит	2	нет	60
LPC2214	144	256K	16K	8/16/32 бит	112	8-кан. 10 бит	2	нет	60
LPC2220	144	нет	64K	8/16/32 бит	76	8-кан. 10 бит	2	нет	75
LPC2290	144	нет	16K	8/16/32 бит	76	8-кан. 10 бит	2	2	60
LPC2292	144	256K	16K	8/16/32 бит	112	8-кан. 10 бит	2	2	60
LPC2294	144	256K	16K	8/16/32 бит	112	8-кан. 10 бит	2	4	60

Микроконтроллеры второй группы (см. табл. 2) имеют единое питание 3,3 В, 10-битный ЦАП (кроме LPC2101/2/3). В этих МК был основательно переработан механизм защиты кода программ во встроенной флэш-памяти. В этой группе и во всех последующих реализовано питание часов реального времени от внешней батареи. Также была добавлена дополнительная функциональность по контролю питания: функции Brown-Out Detect и Power-On Reset. Во всех МК этого семейства имеются коммуникационные интерфейсы: два I²C, два UART, один SPI, один SPI/SSP.

Таблица 2. Микроконтроллеры NXP с ядром ARM7. Вторая группа 

Модель	Выводы	Флэш- память	ОЗУ	Порты ввода/ вывода	АЦП	ЦАП	USB	Тактовая частота, МГц
LPC2101	48	8K	2K	32	8-кан. 10 бит	нет	нет	70
LPC2102	48	16K	4K	32	8-кан. 10 бит	нет	нет	70
LPC2103	48	32K	8K	32	8-кан. 10 бит	нет	нет	70
LPC2131	64	32K	8K	47	8-кан. 10 бит	нет	нет	60
LPC2132	64	64K	16K	47	8-кан. 10 бит	1	нет	60
LPC2134	64	128K	16K	47	16-кан. 10 бит	1	нет	60
LPC2136	64	256K	32K	47	16-кан. 10 бит	1	нет	60
LPC2138	64	512K	32K	47	16-кан. 10 бит	1	нет	60
LPC2157	100	512K	32K	47+128сег.ЖКИ	16-кан. 10 бит	1	нет	60
LPC2141	64	32K	8K	45	6-кан. 10 бит	нет	1	60
LPC2142	64	64K	16K	45	6-кан. 10 бит	1	1	60
LPC2144	64	128K	16K	45	14-кан. 10 бит	1	1	60
LPC2146	64	256K	40K	45	14-кан. 10 бит	1	1	60
LPC2148	64	512K	40K	45	14-кан. 10 бит	1	1	60
LPC2158	100	512K	40K	45+128сег.ЖКИ	14-кан. 10 бит	1	1	60

Микроконтроллеры третьей группы (см. табл. 3) - это мощные МК (72 МГц), изготовленные по технологии 0,14 мкм, оснащенные современными высокоскоростными интерфейсами. USB Host, High speed USB, On-The-Go, 10/100 Мбит Ethernet, CAN, LCD-контроллер - все это многообразие коммуникационных протоколов вы можете получить на одном кристалле.

Таблица 3. Микроконтроллеры NXP с ядром ARM7. Третья группа

Модель	Выво- ды	Флэш- память	ОЗУ	Порты ввода/ вывода	Интер- фейс внешней памяти	ЖКИ-контр.	Ethernet	USB	Тактовая частота, МГц
LPC2364	100	128K	34K	70	нет	нет	RMII	Device	72
LPC2366	100	256K	58K	70	нет	нет	RMII	Device	72
LPC2368	100	512K	58K	70	нет	нет	RMII	Device	72
LPC2387	100	512K	98K	70	нет	нет	RMII	Device	72
LPC2378	144	512K	58K	104	8-бит MiniBus	нет	RMII	Device	72
LPC2388	144	512K	98K	104	8-бит MiniBus	нет	RMII	Device	72
LPC2460	208	нет	98K	160	32-бит	нет	MII/RMII	Host/Device/OTG	72
LPC2468	208	512K	98K	160	32-бит	нет	MII/RMII	Host/Device/OTG	72
LPC2458	180	512K	98K	136	16-бит	нет	MII/RMII	Host/Device/OTG	72
LPC2470	208	нет	98K	160	32-бит	1024x768x24b	MII/RMII	Host/Device/OTG	72
LPC2478	208	512K	98K	160	32-бит	1024x768x24b	MII/RMII	Host/Device/OTG	72
LPC2880	180	нет	64K	81	8/16-бит	ЖК-интерфейс	нет	HS Device	60
LPC2888	180	1M	64K	81	8/16-бит	ЖК-интерфейс	нет	HS Device	60

Реализация Dual AHB (см. рис. 1) позволяет разделять потоки данных с интерфейсов, не загружая при этом шину. На AHB2 расположен контроллер Ethernet с 16 кб ОЗУ. С помощью DMA информация с Ethernet-контроллера размещается в выделенной области памяти, не отнимая ресурсов процессора и шины AHB1, на которой расположены остальные высокоскоростные устройства: USB-, LCD-контроллер, контроллер внешней памяти и контроллер векторных прерываний. Также можно отметить гибкую систему тактирования процессора и периферийных устройств. Необходимая частота может быть получена от трех разных источников: внешний кварцевый резонатор, внутренний RC-осциллятор либо часовой кварц. И каждому периферийному устройству может быть назначена своя персональная частота, что позволяет значительно улучшить показатели потребления тока. Четыре UART, три SPI/SSP, три I²C, SD/MMC, АЦП, ЦАП - все эти устройства можно найти в МК LPC2000 третьей группы.

Рис. 1. Реализация Dual AHB

BlueStreak микроконтроллеры

С приобретением у Sharp линейки BlueStreak модельный ряд NXP пополнили девять новых ARM-микроконтроллеров (см. табл. 4).

Таблица 4. ARM-микроконтроллеры семейства LH7xxxx

Модель	Ядро	MMU	ОЗУ	Кэш	Touch screen	USB	Ethernet	Memory interface	Nand boot
LH75400	ARM7TDMI-S	нет	32K	нет	есть	нет	нет	SRAM	нет
LH75401	ARM7TDMI-S	нет	32K	нет	есть	нет	нет	SRAM	нет
LH75410	ARM7TDMI-S	нет	32K	нет	есть	нет	нет	SRAM	нет
LH75411	ARM7TDMI-S	нет	32K	нет	есть	нет	нет	SRAM	нет
LH79525	ARM720T	есть	16K	8K	есть	Device	есть	SDRAM	есть
LH79520	ARM720T	есть	32K	8K	нет	нет	нет	SDRAM	нет
LH79524	ARM720T	есть	16K	8K	есть	Device	есть	SDRAM	есть
LH7A400	ARM922T	есть	80K	16K	нет	Device	нет	CF, SDRAM, PCMCIA	нет
LH7A404	ARM922T	есть	80K	16K	есть	Host/Device	нет	CF, SDRAM, PCMCIA	есть

Все МК BlueStreak оснащены LCD-контроллером, поддерживающим STN- и различные модификации TFT-дисплеев. Большинство моделей имеют специализированный АЦП, позволяющий работать напрямую с Touch Screen. Эти МК перешли в портфолио NXP без каких-либо изменений, поэтому разработчики могут спокойно использовать весь объем программного обеспечения и отладочных средств, выпущенных для этих МК, в том числе операционные системы Linux и WindowsCE. Построенные на трех вариантах АРМ-ядер, в том числе на мощном ARM922T с тактовой частотой до 266 МГц, эти МК позволяют реализовать большинство задач цветного ЖК-дисплея.

ARM9-микроконтроллеры

Выпущенный в 2005 году микроконтроллер LPC3180 на ядре ARM926EJ-S довольно долгое время оставался единственным МК семейства LPC3000. Но в 2008 NXP планирует развивать это семейство, используя передовой 90 нм технологический процесс (см. табл. 5). Пока этот процесс не позволяет разместить флэш-память на кристалле, но в этом направлении ведутся активные работы. Также в сентябре 2007 года NXP анонсировала МК LPC29xx на базе ARM968E-ядра с встроенной флэш-памятью. Мощный блок ШИМ позволяет использовать эти МК в качестве системы управления различного рода двигателями.

Таблица 5. Микроконтроллеры NXP с ядром ARM9

Модель	Ядро	Выводы	ОЗУ	Кэш	CAN	USB	Ethernet	Memory interface	Тактовая частота, МГц
LPC3180	ARM926EJ-S	320	64K	64K	нет	Host/Device/OTG	нет	SDRAM, NAND	208
LPC3190	ARM926EJ-S	289	64K	64K	нет	Host/Device/OTG	нет	SDRAM, NAND	208
LPC3220	ARM926EJ-S	289	128K	64K	нет	Host/Device/OTG	нет	SDRAM, NAND	208
LPC3230	ARM926EJ-S	289	256K	64K	нет	Host/Device/OTG	нет	LCD, SDRAM, NAND	208
LPC3240	ARM926EJ-S	100/289	256K	64K	нет	Host/Device/OTG	есть	SDRAM, NAND	300
LPC3250	ARM926EJ-S	289/320	256K	64K	нет	Host/Device/OTG	есть	LCD, SDRAM, NAND	300
LPC2915	ARM968E	100	32K	32K	2	нет	нет	нет	80
LPC2917	ARM968E	144	48K	32K	2	нет	нет	8/16/32 бит SRAM	80
LPC2919	ARM968E	144	48K	32K	2	нет	нет	8/16/32 бит SRAM	80

Микроконтроллеры первой группы (см. табл. 1) - это мощные (60...75 МГц), производительные, оснащенные необходимыми периферийными устройствами микроконтроллеры. 128-битный доступ к флэш-памяти и модуль МАМ позволяют им выполнять программы из встроенной флэш-памяти, не замедляя скорость ядра. Среди периферийных устройств - два UART, I²C, SPI, ШИМ, АЦП, часы реального времени. За последний год практически все модели этой группы были обновлены до версии «/01», в которой исправлено большинство ошибок и добавлены новые возможности: быстрые порты ввода-вывода, отдельные регистры для каждого канала АЦП и т.д.