為滿足應用需求,微控制器對功能性、各種片外片內存儲器的類型和密度以及高層次系統集成的需求不斷發展.本文提出了對這些需求的應對策略,即開發模塊化架構來優化最終用戶產品周期的各個方面,包括應用匹配、PCB設計、應用軟件開發和產品升級等.

    如今,對成本敏感的微控制器市場需要可使產品功能緊密地適合應用的高層次系統集成.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集成.此外,穩壓器、電壓不足檢測器、上電復位等電源接口與晶振/PLL、系統定時器等定時單元一樣,都需要在片內得到實現.

    為緊密地適合應用,存儲器、外圍設備與連接之間的正確組合非常重要.對存儲器的需求在類型和密度上是不同的.小容量的引導ROM、RAM工作區以及用于存儲軟件和參考數據的片上閃存都是必需的,但不同應用對密度需求不一樣.NAND或NOR閃存、SDRAM等各種存儲器類型和密度都需要高效率的外部接口.在連接性方面,微控制器一般需要提供USB、以太網、CAN、SPI或USART總線連接,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模擬功能.

    與外圍設備組合變化多樣不同,處理器內核的可選范圍很窄.只有少數幾種工業標準MCU內核占市場主導地位,arm則是32位MCU內核的代表之一.

     圖題:基于arm的MCU系統級芯片AT91SAM7S的架構平臺.

    應用開發的簡易性是一個關鍵要求,而且常常是最重要的.最基本的要求就是工業標準開發工具必須易于使用且價格合理.此外,MCU還應該提供所有片上外圍設備的低層器件驅動程序和標準通信接口的協議堆棧.這些都將大大減少應用開發的時間和成本.如果應用需要操作系統,那么該操作系統應該已具備與MCU架構的接口,并且可以很容易集成到軟件開發環境中.

    基于微控制器的應用在不斷發展.一些產品的生命周期,特別是消費類電子產品的生命周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、更簡單的用戶接口以及更小的外形尺寸,而且其價格也更低.為支持這種最終用戶產品的發展趨勢,位于系統中心的微控制器必須不斷發展.不過,向更高級MCU升級的過程必須簡單,并要盡可能避免發生風險.在硬件層面上,這要求同一系列中不同器件的封裝和引腳必須兼容;而在軟件層面上,關鍵是要能復用已有的軟件模塊,并能夠方便地集成新模塊.

    基于arm的模塊化系統構件

    Atmel公司應對這些需求的策略是關注整個MCU產品生命周期,在工業標準arm微處理器內核的基礎上為存儲器、外圍設備和標準通信接口開發了一系列IP模塊.軟件設備驅動程序、通信接口的協議堆棧、操作系統以及應用開發工具都對這些IP模塊提供支持.這些IP模塊將被嵌入到整個產品系列使用的公共架構平臺中.同一系列的器件具有相同的封裝和引腳,這是為了實現最大化復用并快速開發出產品,以滿足用戶對降低產品成本和縮短開發周期的需求.

    1. 架構平臺

    基于arm的MCU系統級芯片的典型架構平臺如圖所示.每個存儲器模塊、外圍設備和通信接口都是一個獨立的模塊.這些模塊經過單獨開發和測試,可以針對每個實現進行參數化處理(如閃存或SRAM存儲器的密度).外圍設備模塊可被軟件設備驅動程序支持,這些用C/C++編寫的驅動程序已被集成到應用代碼中.針對每個目標應用,可以選擇最佳的存儲器、外圍設備和通信接口配置.為盡可能滿足相同應用領域中不同用戶的需要,Atmel還開發了一系列具有不同存儲器密度的器件,該系列中的每個器件都具有相同封裝和引腳.

    這個架構平臺具有許多公用特性.所有器件都采用相同的工業標準arm處理器內核,而且所有外圍設備和通信接口都具有一個被映射到處理器地址空間的公共寄存器結構.通過復用已有的代碼,這將大大減少軟件開發的費用.

    所有器件都具有一個外圍設備DMA控制器,該控制器能以最小的處理器開銷處理存儲器到外圍設備的數據傳輸.高級中斷控制器(AIC)可增強處理器內核的基本中斷功能,以便在很少幾個指令周期內實現到中斷處理程序的傳遞.并行的輸入/輸出(PIO)控制器可使I/O線與多個通用輸入/輸出進行復用,從而減少引腳數量、提高I/O編程的靈活性.所有這些器件都有一個快速閃存編程接口(FFPI)和基于ROM的引導輔助(SAM-BA)以便于進行閃存編程.

    所有器件都集成了以前片內所沒有的多種系統功能,包括用于定時源的晶振和PLL,以及實時定時器、可編程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)可通過關閉不用的外圍設備將器件功耗減至最小,并提供只有實時定時器工作的睡眠模式.穩壓器則用來提供1.8V電壓供內核和外圍設備使用,也可外接供外部1.8V器件使用.上電復位(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

    在Atmel的方案中,有二個因素可簡化最終用戶產品的PCB設計:高層的系統集成可大大減少元器件數量;相同系列中的所有器件都具有相同封裝和引腳,這意味著升級到更高存儲器密度只需進行簡單替換.

    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.Atmel提供的基于arm的構件塊方法具有顯著好處,同一個低成本評估板可支持面向應用的產品系列中的所有器件.

    工業標準處理器內核允許使用工業標準軟件開發工具進行應用開發,從而縮短甚至不需要相關的學習過程.如果需要操作系統,也有基本現成的版本可用于arm內核.用于外圍設備的軟件設備驅動程序、用于I/O模塊的通信協議堆棧,加上對傳統應用代碼的復用,可有效減少軟件開發方面的費用.使用閃存編程存儲器意味著器件在開發過程中可以用應用代碼進行反復編程,直到消除所有錯誤.如果使用片上引導裝載器(SAM-BA)對開發器件進行快速編程,并且使用相關下載器(SAM-PROG)對產品系統進行并行編程,那么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Atmel微控制器產品系列中采用模塊化方法,旨在使這一發展過程盡可能平滑順利.片上閃存可以被重復編程,這樣即使在用戶正在使用的產品上,也可增加新的功能.如果需要更高的存儲器密度,可以用增強型存儲器件進行直接替換,所需的軟件升級非常少.如果需要增加新的外圍設備或通信接口,公共架構平臺和開發工具可使軟件和PCB設計僅需做最少的改動.

    因此,在MCU產品開發的各個方面(包括架構、封裝、軟件、應用開發和產品升級等)采用Atmel的模塊化方法,可對最終用戶產品周期進行全面優化.