Клеммные колодки Keen Side
РадиоЛоцман - Все об электронике

Микроконтроллеры семейства ColdFire

Freescale MCF51JM128 MCF51JM64 MCF51QE128 MCF51QE64 MCF51QE32

Т. Ремизевич, П. Рашитов (МЭИ)
Новости Электроники 6, 2008

Похоже, в скором времени даже в самых массовых электронных устройствах 32-разрядные микроконтроллеры заменят 8- и 16-разрядные. Одним из пионеров новой гибкой архитектуры, позволяющей сочетать преимущества 32 разрядов и RISC-ядра, стала компания Freescale Semiconductor со своим семейством ColdFire.

Одно из актуальных направлений развития встраиваемых систем - внедрение 32-разрядных МК в относительно недорогие приложения, в которых ранее использовались 16- и даже 8-разрядные МК. Компания Freescale Semiconductor имеет солидную историю в этом сегменте элементной базы, поскольку еще с середины 80-х годов прошлого столетия компания Motorola активно внедряла однокристальные 32-разрядные МК семейства 68300.

В настоящее время компания Freescale Semiconductor активно развивает новое семейство ColdFire, которое объединяет 32-разрядные МК и интегрированные процессоры на основе процессорного ядра с RISC-архитектурой. Особенностью архитектуры ColdFire стало использование команд переменной длины (16, 32 и 48 бит), что позволило обеспечить превосходные характеристики по компактности программного кода. Новая архитектура получила название Variable-Length RISC (VL RISC - RISC-машина с переменной длиной команд). Она позволила значительно уменьшить площадь кристалла и снизить мощность потребления, что открыло перспективы для интеграции процессорного ядра ColdFire в продукты для встраиваемых приложений.

Особенностью семейства Cold Fire является многообразие процессорных ядер. В настоящее время в семействе Cold Fire насчитывается пять типов процессорных ядер (V1, V2, V3, V4 и V5), которые существенно различаются по сложности аппаратной реализации и, как следствие, вычислительной производительности.

Таблица 1. Производительность процессорного ядра ColdFire

Версия
процессорного
ядра
Относительная
производительность
(Dhrystone 2.1)
при выполнении
программы
из резидентного ОЗУ,
MIPS/МГц
Относительная
производительность
(Dhrystone 2.1)
при выполнении
программы
из резидентной FLASH,
MIPS/МГц
Максимальная
частота
тактирования,
МГц
Максимальная
производи-
тельность
(Dhrystone 2.1)
FLASH/ОЗУ, MIPS
V1 0,94 0,76 50 47/38
V2 0,95 0,82 166 158/136
V3 0,88 - 240 211
V4 1,54 - 266 410
V5 1,83 - 366 670

Порядковый номер ядра отображает его сложность, а не хронологию появления в составе семейства. Так ядро версии V1 анонсировано летом 2007 года и, вопреки общепринятой тенденции возрастания производительности новых продуктов, является самым простым и самым «тихоходным» в семействе ColdFire. Несмотря на существенные различия в архитектуре и производительности перечисленных версий процессорного ядра, компания Freescale Semiconductor сохранила за ними общее название. Поэтому под названием ColdFire следует, прежде всего, понимать программно-логическую модель центрального процессора, его систему адресации и систему команд, поскольку аппаратная реализация устройства выборки и исполнения команд, система внутренних магистралей, модуль внутрисхемной отладки в составе процессорного ядра и режимы его энергопотребления постоянно совершенствуются. Родоначальник семейства Cold Fire - версия V2. Это процессорное ядро, дополненное модулем аппаратного умножителя и делителя (MAC или его более совершенная версия eMAC), имеют в своем составе большинство современных моделей однокристальных МК семейства ColdFire.

Таблица 2. Технические характеристики МК и интегрированных процессоров семейства Cold Fire

Наимено- вание
МК
Версия
процес- сорного ядра
Частота такти- рования, МГц / произво- дительность (Dhrystone 2.1), MIPS* Рези- дентное
ПЗУ FLASH, кБ
Рези- дентное ОЗУ, кБ Конт- роллер
внешней
памяти
Кэш, кБ Число линий
ввода / вывода
(для корпуса)
Контроллеры
последо-
вательных
интерфейсов
Таймер
Число
каналов/
разрядность

АЦП
Число
каналов/
разряд-ность

Модуль
ШИМ
Число
каналов/
разрядность
Специальные
модули
Тип корпуса
Семейство Flexis, серия MCF51JMxx (микроконтроллеры)
MCF51JM128 V1 50/47 128 16 нет нет 66(80 LQFP) 51(64 LQFP) 33(44 LQFP) 2 SCI, 2 SPI, 2 I2C, FlexCAN, USB (+OTG) 1/16 (до 6 каналов IC/OC/PWM) до 12/12 нет ENCRYPTION, ACMP, RTC, LVD, COP, BDM 80 LQFP 64 LQFP 44 LQFP**
MCF51JM64 V1 50/47 64 8 нет нет 66(80 LQFP) 51(64 LQFP) 33(44 LQFP) 2 SCI, 2 SPI, 2 I2C, FlexCAN, USB (+OTG) 1/16 (до 6 каналов IC/OC/PWM) до 12/12 нет ENCRYPTION, ACMP, RTC, LVD, COP, BDM 80 LQFP 64 LQFP 44 LQFP**
Семейство Flexis, серия MCF51QExx (микроконтроллеры)
MCF51QE128 V1 50/47 128 8 нет нет 70(80 LQFP) 54(64 LQFP) 2 SCI, 2 SPI, 2 I2C до 2/16 (до 6 каналов IC/OC/PWM) до 24/12 нет 2 ACMP, RTC, LVD, COP, BDM 80 LQFP 64 LQFP
MCF51QE64 V1 50/47 64 8 нет нет 54 2 SCI, 2 SPI 2 I2C до 2/16 (до 6 каналов IC/OC/PWM) 20/12 нет 2 ACMP, RTC. LVD, COP, BDM 64 LQFP
MCF51QE32 V1 50/47 32 8 нет нет 54 2 SCI 2 SPI 2 I2C до 2/16 (до 6 каналов IC/OC/PWM) 20/12 нет 2 ACMP, RTC, LVD, COP, BDM 64 LQFP
Семейство ColdFire, серия MCF521x (микроконтроллеры)
MCF5212 V2 66/63 256 32 нет нет 33 3 UART, QSPI, I2C До 4/до 32 (4 канала IC/OC/PWM) PIT 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, WD, JTAG, BDM 81 MAPBGA 64 LQFP
MCF5213 V2 66/63 80/76 256 32 нет нет 44(81 MAPBGA) 56(100 LQFP) 3 UART, QSPI, I2C До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, WD, JTAG, BDM 81 MAPBGA 100 LQFP
MCF5214 V2 66/63 256 64 SDRAM 4 142 3 UART, QSPI, I2C, FlexCAN До 4/до 32, PIT (8 каналов IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
MCF5216 V2 66/63 512 64 SDRAM 4 142 3 UART, QSPI, I2C, FlexCAN До 4/до 32, PIT (8 каналов IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
Семейство ColdFire, серия MCF521xx (микроконтроллеры)
MCF52100 V2 66/63 80/76 64 16 нет нет 43(64 QFN) 55(81 MAPBGA) 2 UART, QSPI, 2 I2C До 4/до 32, PIT (2 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN 81 MAPBGA
MCF52110 V2 66/63 80/76 128 16 нет нет 43(64 QFN) 55(81 MAPBGA) 63(100 LQFP) 3 UART, QSPI, 2 I2C До 4/до 32, PIT (2 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN 81 MAPBGA 100 LQFP
Семейство ColdFire, серия MCF5221x (микроконтроллеры)
MCF52210 V2 66/63 80/76 64 16 нет нет 43(64 QFN) 43(64 LQFP) 55(81 MAPBGA) 2 UART, QSPI, 2 I2C, USB (+OTG) До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN 64 LQFP 81 MAPBGA
MCF52211 V2 66/63 80/76 128 16 нет нет 43(64 QFN) 55(81 MAPBGA) 63(100 LQFP) 3 UART, QSPI, 2 I2C, USB (+OTG) До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN 64 LQFP 81 MAPBGA 100 LQFP
MCF52212 V2 50/46 64 8 нет нет 43 2 UART, QSPI, 2 I2C, USB (OTG) До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN
MCF52213 V2 50/46 128 8 нет нет 43 2 UART, QSPI, 2 I2C, USB (OTG) До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 64 QFN
Семейство ColdFire, серия MCF5223x (микроконтроллеры)
MCF52230 V2 60/57 128 32 нет нет 43(80 LQFP) 73(112 LQFP) 3/UART, QSPI, I2C, FlexCAN, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 80 LQFP 112 LQFP
MCF52231 V2 60/57 128 32 нет нет 43(80 LQFP) 73(112 LQFP) 3/UART, QSPI, I2C, FlexCAN, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 80 LQFP 112 LQFP
MCF52232 V2 50/46 128 32 нет нет 43 3 UART, QSPI, I2C, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 80 LQFP
MCF52233 V2 60/57 256 32 нет нет 43(80 LQFP) 73(112 LQFP) 3/UART, QSPI, I2C, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 80 LQFP 112 LQFP
MCF52234 V2 60/57 256 32 нет нет 73 3/UART, QSPI, I2C, FlexCAN, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 112 LQFP 121 MAPBGA
MCF52235 V2 60/57 256 32 нет нет 73 3/UART, QSPI, I2C, FlexCAN, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 ENCRYPTION. DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 112 LQFP 121 MAPBGA
MCF52236 V2 50/46 256 32 нет нет 43 3/UART, QSPI, I2C, Ethernet+PHY 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 4/16 или 8/8 DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 80 LQFP
Семейство ColdFire, серия MCF5225x (микроконтроллеры)
MCF5225x V2 66/63 80/76 512 256 64 32 нет нет 63 3 UART, QSPI, I2C, USB (+OTG) FlexCAN, Ethernet 10/100 До 4/до 32, PIT (4 канала IC/OC/PWM) 8/12 8/8 DMA (4 канала), 32 кГц Osc PLL, RTC, 2 WD, JTAG, BDM Encryption 100 LQFP 144 LQFP 144 MAPBGA
Семейство ColdFire, серия MCF528x (микроконтроллеры)
MCF5280 V2 80/76 нет 64 SDRAM 2 150 3 UART, QSPI, I2C, Ethernet 10/100, FlexCAN До 4/до 32, PIT (8 каналов IC/OC/PWM) 8/10 нет DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
MCF5281 V2 80/76 256 64 SDRAM 2 150 3 UART, QSPI, I2C, Ethernet 10/100, FlexCAN До 4/до 32, PIT (8 каналов IC/OC/PWM) 8/10 нет DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
MCF5282 V2 80/76 512 64 SDRAM 2 150 3 UART, QSPI, I2C, Ethernet 10/100, FlexCAN До 4/до 32, PIT (8 каналов IC/OC/PWM) 8/10 нет DMA (4 канала), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
Семейство ColdFire, серия MCF532x (интегрированные процессоры)
MCF5327 V3 240/211 нет 32 EBUS DDR/SDR 16 94 3 UART, QSPI, I2C, SSI, USB (+OTG) 4/32 PIT нет 4/16 SVGA LCD Controller, DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD. JTAG, BDM 196 MAPBGA
MCF5328 V3 240/211 нет 32 EBUS DDR/SDR 16 94 3 UART, QSPI, I2C, SSI, Ethernet 10/100, USB (+OTG) 4/32 PIT нет 4/16 SVGA LCD Controller, DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
MCF53281 V3 240/211 нет 32 EBUS DDR/SDR 16 94 3 UART, QSPI, I2C, SSI, Ethernet 10/100, USB (+OTG), FlexCAN 4/32 PIT нет 4/16 SVGA LCD Controller , DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM 256 MAPBGA
MCF5329 V3 240/211 нет 32 EBUS DDR/SDR 16 94 3 UART, QSPI, I2C, SSI, Ethernet 10/100, USB (+OTG), FlexCAN 4/32 PIT нет 4/16 SVGA LCD Controller, DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, ENCRYPTION 256 MAPBGA
Семейство ColdFire, серия MCF5445x (интегрированные процессоры)
MCF54450 V4M 240/370 нет 32 EBUS DDR2 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot 256 TEPBGA
MCF54451 V4M 240/370 нет 32 EBUS DDR2 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot, ENCRYPTION 256 TEPBGA
MCF54452 V4M 266/410 нет 32 EBUS DDR2 PCI 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, 2 Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot 360 TEPBGA
MCF54453 V4M 266/410 нет 32 EBUS DDR2 PCI 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, 2 Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot, ENCRYPTION 360 TEPBGA
MCF54454 V4M 266/410 нет 32 EBUS DDR2 PCI ATA 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, 2 Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot 360 TEPBGA
MCF54455 V4M 266/410 нет 32 EBUS DDR2 PCI ATA 16+16 132 3 UART, DSPI, SSI, I2C, USB (+OTG) + PHY, 2 Ethernet 10/100 4/32 PIT нет нет DMA (16 каналов), PLL, RTC, WD, JTAG, BDM, Serial Boot, ENCRYPTION 360 TEPBGA
Примечание: * - указана производительность при выполнении программы из резидентного ОЗУ. Для
определения производительности при выполнении программы из FLASH воспользуйтесь коэффициентами табл. 1.
** - без CAN EBUS - модуль интерфейса внешней системной магистрали.

Основные характеристики процессорного ядра версии V2:

  • 32-разрядная RISC-архитектура с переменной длиной команды;
  • Шестнадцать 32-разрядных регистров для хранения данных и адресов;
  • Специальный регистр для хранения адреса начала таблицы векторов исключений (сброса и прерываний);
  • 32-разрядная магистраль адреса, которая позволяет адресовать до 4 Гб внутренней или внешней памяти;
  • 32-разрядная магистраль данных;
  • программируемые сигналы CS для подключения внешней памяти;
  • внутренняя системная шина предусматривает возможность подключения блоков кэш памяти инструкций и данных, а также внутреннего ОЗУ и ПЗУ программ;
  • защищенный и пользовательский режимы работы;
  • модуль умножителя с накоплением (eMAC) и аппаратного делителя;
  • встроенный модуль отладки реального времени.

Следующая модификация ядра - версия V3. Процессорное ядро V3 обладает более совершенным конвейером команд и новым блоком формирования адреса в командах ветвления.

Процессорное ядро V4 характеризуется двумя принципиальными новшествами по сравнению с предыдущими архитектурами семейства ColdFire. Первое - в процессоре V4 использована нетрадиционная для Motorola/Freescale Semiconductor гарвардская архитектура с раздельными 32-разрядными магистралями памяти программ и памяти данных. Как следствие, появились два блока кэш-памяти: I-Cash для хранения очереди кодов команд и D-Cash - для кодов данных. Второе новшество - элементы суперскалярной архитектуры: некоторые команды выполняются парами. Одной из них должна быть команда, в которой используются преобразования и пересылки типа «регистр-регистр», а другой - коман­да передачи данных в память. Параллельное исполнение других типов команд данное ядро не обеспечивает. На базе архитектуры V4 разработана более совершенная версия ядра V4M, которая отличается наличием более производительного блока умножителя с накоплением eMAC, блока вычислений с плавающей точкой FPU и блоком управления виртуальной памятью MMU.

Процессорное ядро версии V5 обладает полностью суперскалярной архитектурой, которая предоставляет возможность параллельного выполнения двух любых команд программы. Кроме того, оно имеет больший объем кэш-памяти адресов ветвления и более эффективный механизм вычисления адреса передачи управления в командах условного перехода. Эти решения с одновременным переходом на технологический процесс 0,13 мкм позволили повысить производительность процессорного ядра версии V5 до 670 MIPS при частоте тактирования 366 МГц.

Рассмотренные выше процессорные ядра ColdFire развивались в направлении усложнения архитектуры с целью получения большей производительности. Однако летом 2007 года компания Freescale Semiconductor предложила неожиданное решение, анонсировав упрощенную версию ядра V1. Ядро V1 сохранило 32-разрядные АЛУ, регистры общего назначения и внутреннюю магистраль адреса. Магистраль данных стала 8-разрядной, были введены новые команды для работы с 8-и и 16-разрядными данными и для гибкого обмена данными с периферией. Блок умножителя с накопителем и аппаратный делитель в составе ядра V1 отсутствуют. Предполагается, что при высокой частоте тактирования эти операции могут быть выполнены на программном уровне.

Процессорное ядро ColdFire V1 стало основой очень интересной серии МК, которую именуют семейством Flexis. Это семейство объединяет специально разработанные для программы Flexis 8-рязрядные МК с процессорным ядром HCS08 и 32-разрядные МК с процессорным ядром ColdFire V1. Причем каждая модель МК с ядром HCS08 имеет полный аналог по набору периферийных модулей, по типу и цоколевке корпуса, но с ядром ColdFire V1 (рис.1). Специально для семейства Flexis были разработаны новые улучшенные версии периферийных модулей 8-разрядного семейства HCS08, и именно эти модули входят в состав как 8-разрядного МК, так и его 32-разрядного аналога. Таким образом, обеспечивается возможность легкого замещения в готовом аппаратном и программном решении 8-разрядного МК на 32-разрядный.

Семейство Flexis является реальным воплощением новой философии для низкостоимостных решений от компании Freescale Semiconductor. Активному пользователю 8-разрядных МК как бы предлагают без дополнительных усилий по изучению новой элементной базы перейти на 32-разрядные продукты аналогичного ценового диапазона. Причем для такого перехода подготовлены не только аппаратные средства МК, но и средства разработки для них. Для этих целей в состав МК с ядром ColdFire V1 внедрен модуль отладки HCS08 с однопроводным интерфейсом и выпущена специальная версия IDE CodeWarrior, которая позволяет один и тот же исходный текст прикладной программы транслировать в коды как для HCS08, так и для ColdFire V1.

Модели семейства Flexis с ядром ColdFire V1 представлены в таблице 2. Серия QE объединяет МК общего применения. Однако МК этой серии относятся к группе «Ultra Low Power», они обладают сверхнизким потреблением: 350 нА для MCF51QE128 в режиме Stop. В состав серии JM входят МК, которые оснащены дополнительно контроллерами USB с аппаратной поддержкой, модулями аппаратного шифрования и генерации случайных чисел, контроллерами CAN (см. рис. 1).

Структура микроконтроллеров с ядром V1 ColdFire (а)

a)

Структура микроконтроллеров с ядром HCS08 (б)

б)

Рис. 1. Структура микроконтроллеров с ядром V1 ColdFire (а) и HCS08 (б)

Модельный ряд МК с процессорным ядром ColdFire V2 в течение последнего года претерпел существенное обновление. Действующие модели объединены в шесть серий МК и представлены в табл. 2. Структура одного из МК представлена на рис. 2.

Структура микроконтроллеров семейства MCF5223x

Рис. 2. Структура микроконтроллеров семейства MCF5223x

Анализируя состав периферии МК этих серий, можно заметить, что основным направлением развития семейства является размещение на одном кристалле множества различных контроллеров современных последовательных интерфейсов. Причем эти контроллеры реализуют не только функции логической обработки в соответствии с определенным типом протокола (CAN, Ethernet, USB), но и часть функций аппаратной поддержки физического уровня протокола (например, модуль 10/100 Ethernet MAC + PHY на рис. 2). Безусловно, одной из самых интересных среди перечисленных в табл. 2 является совершенно новая серия MCF5225x. МК этой серии (конкретные модели еще не объявлены) по сути представляют собой универсальный коммуникатор, способный взаимодействовать с другими устройствами посредством любого современного последовательного протокола обмена данными.

39 предложений от 26 поставщиков
Микросхема Микроконтроллер, NXP MCF51JM128VLD 32Bit Microcontroller, Coldfire v1, 50MHz, Memory 128KB, RAM 16KB, CAN, I2C, SCI, SPI, USB, LQFP-44
MCF51JM128VLH
NXP
от 1 646 ₽
ЭИК
Россия
MCF51JM128VLD
NXP
от 1 844 ₽
MCF51JM128VLH
NXP
от 2 385 ₽
TradeElectronics
Россия
MCF51JM128EVQH
Freescale
по запросу
ТМ Электроникс. Электронные компоненты и приборы. Скидки, кэшбэк и бесплатная доставка
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя