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控制技術/MCU  

基於ARM的系統組件可最佳化MCU開發週期

上網時間: 2005年09月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MCU  微控制器  核心  記憶體  模組化 

為滿足應用需求,微控制器在功能性、各種外部及內建記憶體類型、密度、以及高層次系統等方面均不斷地發展。本文提出了針對這些需求因應策略,即開發模組化架構來最佳化最終用戶產品週期等,包括應用匹配、PCB設計、應用軟體開發和產品升級等。

對成本敏感的微控制器市場需要高階的系統整合度,以使產品功能可與應用更緊密的結合。PCB尺寸、電源消耗和材料成本的壓力也需要比以往更高層次的系統整合。此外,穩壓器、電壓不足檢測器、通電重置等電源介面與晶振/PLL、系統定時器等定時單元一樣,都需要在晶片內部實現。

為緊密地適合應用,記憶體、週邊設備與連接之間的正確組合非常重要。對記憶體的需求在類型和密度上是不同的。小容量的引導ROM、RAM工作區以及用於儲存軟體和參考數據的晶片上快閃記憶體都是必需的,但不同應用對密度需求不一樣。NAND或NOR快閃記憶體、SDRAM等各種記憶體類型和密度都需要高效率的外部介面。在連接性方面,微控制器一般需要提供USB、乙太網路、CAN、SPI或USART匯流排連接,而為保證安全性,可能還需要AES或DES加速器。此外,許多應用還需要微控制器具有類比功能。

與週邊設備組合變化多樣不同,處理器核心的可選範圍很窄。只有少數幾種產業標準MCU核心佔市場主導地位,ARM則是32位元MCU核心的代表之一。

應用開發的簡易性是關鍵要求,而且常常是最重要的。最基本的要求就是產業標準開發工具必須易於使用且價格合理。此外,MCU還應該提供所有晶片上週邊設備的低層元件驅動程式和標準通訊介面的協議堆疊。這些都將大幅減少應用開發的時間和成本。如果應用需要作業系統,那麼該作業系統應該已具備與MCU架構的介面,並且可以很容易整合在軟體開發環境中。

基於微控制器的應用在不斷發展。一些產品的生命週期,特別是消費性電子產品的生命週期只有短短數月的時間,因此新型產品必須具有更強的性能、更簡單的用戶介面以及更小的外形尺寸,而且其價格也更低。為支援這種最終用戶產品的發展趨勢,位於系統中心的微控制器必須不斷發展。不過,向更高階MCU升級的過程必須簡單,並要盡可能避免產生風險。在硬體層面上,這要求同一系列中不同元件的封裝和接腳必須相容;而在軟體層面上,關鍵是要能再使用已有的軟體模組,並能夠方便地整合新模組。

基於ARM的模組化系統構件

以Atmel的方案為例,在ARM微處理器核心基礎上為記憶體、週邊設備和標準通訊介面開發了一系列IP模組。軟體設備驅動程式、通訊介面的協議堆疊、作業系統以及應用開發工具都對這些IP模組提供支援。這些IP模組將被嵌入到整個系列產品使用的公共架構平台中。同一系列的元件具有相同的封裝和接腳,這是為了實現最大化再使用並快速開發出產品,以滿足用戶對降低產品成本和縮短開發週期的需求。

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圖1:ARM-based MCU系統單晶
片AT91SAM7S的架構平台。

1. 架構平台

基於ARM的MCU系統單晶片的標準架構平台如圖所示。每個記憶體模組、週邊設備和通訊介面都是一個獨立的模組。這些模組經過單獨開發和測試,可以針對每個實現進行參數化處理(如快閃記憶體或SRAM記憶體的密度)。週邊設備模組可被軟體設備驅動程式支援,這些用C/C++編寫的驅動程式已被整合在應用程式碼中。針對每個目標應用,可以選擇最佳的記憶體、週邊設備和通訊介面配置。

這個架構平台具有許多公用特性。所有元件都採用相同的產業標準ARM處理器核心,而且所有週邊設備和通訊介面都具有一個被映射到處理器地址空間的公共暫存器結構。透過再使用已有的程式碼,這將大幅減少軟體開發的費用。

所有元件都具有一個週邊設備DMA控制器,該控制器能以最小的處理器開銷處理記憶體到週邊設備的數據傳輸。高階中斷控制器(AIC)可增強處理器核心的基本中斷功能,以便在很少幾個指令週期內實現到中斷處理程式的傳遞。平行的輸入/輸出(PIO)控制器可使I/O線與多個通用輸入/輸出進行再使用,因而減少接腳數量、提高I/O編程的靈活性。所有這些元件都有一個快速快閃記憶體編程介面(FFPI)和基於ROM的引導輔助(SAM-BA)以便於進行快閃記憶體編程。

所有元件都整合了以前內部所沒有的多種系統功能,包括用於定時源的晶振和PLL,以及即時定時器、可程式間隔定時器和看門狗定時器等的眾多系統定時器。電源管理控制器(PMC)可透過關閉不用的週邊設備將元件功耗減至最小,並提供只有即時定時器工作的睡眠模式。穩壓器則用來提供1.8V電壓供核心和週邊設備使用,也可外接供外部1.8V元件使用。上電重置(POR)和電壓不足檢測器可確保在外部電源中斷時系統能安全地關閉和啟動。

2. PCB設計和應用開發

本文所述的方案有二個因素可簡化最終用戶產品的PCB設計:高層的系統整合可大幅減少零組件數量;相同系列中的所有元件都具有相同封裝和接腳,這意味著升級到更高記憶體密度只需進行簡單替換。而應用開發的簡易性和成本是選擇微控制器時的一個主要決定性因素。

標準處理器核心允許使用產業標準軟體開發工具進行應用開發,因而縮短甚至不需要相關的學習過程。如果需要作業系統,也有基本現成的版本適用於ARM核心。用於週邊設備的軟體設備驅動程式、用於I/O模組的通訊協定堆疊,加上對傳統應用程式碼的再使用,可有效減少軟體開發方面的費用。使用快閃記憶體編程記憶體意味著元件在開發過程中可以用應用程式碼進行反覆編程,直到消除所有錯誤。如果使用晶片上引導裝載器(SAM-BA)對開發元件進行快速編程,並且使用相關下載器(SAM-PROG)對產品系統進行平行編程,那麼這一過程還可進一步簡化。

本文小結

所有電子產品都在不斷發展,在微控制器中採用模組化方法,將使這一發展過程盡可能平滑順利。晶片上快閃記憶體可以被重覆編程,這樣即使在用戶正使用的產品上,也可增加新的功能。如果需要更高的記憶體密度,可以用增強型記憶體件進行直接替換,所需的軟體升級非常少。如果需要增加新的週邊設備或通訊介面,公共架構平台和開發工具可使軟體和PCB設計僅需做最少的更動。

作者:Dany Nativel


技術產品行銷經理


Email: dany.nativel@rfo.atmel.com


Atmel公司





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