Новое семейство микроконтроллеров компании STMicroelectronics

Статья посвящена обзору основных характеристик нового семейства 32-разрядных микроконтроллеров компании STMicroelectronics разработанных на основе ядра ARM 7 Tx .

Компания STMicroelectronics ( ST ), один из мировых лидеров по производству 8- и 16-разрядных микроконтроллеров начала выпускать 16/32-разрядные микроконтроллеры с архитектурой на основе ядра ARM 7™. На данный момент уже доступна информация о двух новых сериях микроконтроллеров.

Серия STR 710 с ядром ARM 7 TDMI ® имеет встроенную Flash -память и низкопрофильные корпуса. Эта серия микроконтроллеров нацелена на заказчиков, которым требуется производительность и гибкость 32-разрядных микроконтроллеров наряду с широким набором встроенной периферии. Эти малоразмерные супер интегрированные микроконтроллеры позволяют расширить прикладные возможности при сокращении полной системной стоимости изделий.

Серия STR720 основана на ядре ARM720T™ с кэш, имеет блок управления памятью ( MMU ) и интерфейс SDRAM . Она предназначена для приложений, требующих высокую производительность и архитектуру памяти открытых систем, которая поддерживается современными операционными системами.

Микроконтроллеры выполнены по 0,18 мкм HCMOS 8 технологии с напряжением питания внутренней логики 1,8 В и с питанием портов по вход/выход напряжением 3,3 В.

Ядро ARM 720 T производства компании Advanced RISC Machines ( ARM ) является 32-разрядным микропроцессором с быстродействующей буферной памятью в 8 кбайт (кэш), с расширенным буфером записи и устройством управления памятью ( MMU ). Программно оно полностью совместимо со всеми процессорам типа ARM .

К основным особенностям ARM микроконтроллеров ST следует отнести:

• современную Flash-память с эффективностью до 48 МГц и низкой задержкой, что позволяет использовать данные микроконтроллеры в прикладных системах реального времени
• индустриальный температурный диапазон работы ( -40° C to + 85° C );
• большие соединительные возможности с использованием множества последовательных интерфейсов, включая CAN , USB , SPI , I 2 C и UART .

Основными параметрами серии STR71xF являются:

• ARM 7 TDMI ядро с 32-бит и Thumb 16-бит набором команд, 3-ступенчатый конвейер, 32-бит АЛУ и обширные средства отладки;
• от 16 кбайт до 64 кбайт ОЗУ (SRAM);
• от 128 кбайт до 256 кбайт Flash-памяти с малым временем случайного доступа:
• до 48 МГц рабочая частота CPU с внешней синхронизацией 16 МГц, внутренней ФАПЧ ( PLL ) и нулевой режимы ожидания с ускорением;
• до 30 МГц и нулевой режимы ожидания без ускорения, без проблем при контекстном переключении и ветвлении, что необходимо в приложениях реального времени.
• до 10 соединительных интерфейсов, включая I 2 C , SPI , UART , CAN , а также USB , HDLC , MMC и Smart Card интерфейсы;
• 4 таймера, отдельный сторожевой таймер и часы реального времени с встроенным генератором 32 кГц для перехода в рабочий режим после дежурного режима ( STANDBY );
• 4 режима понижения потребления: SLOW , WAIT , STOP и STANDBY ;
• встроенный регулятор напряжения 1,8 В для ядра, позволяющий работать от одиночного источника питания 3,3 В;
• контроллер вложенных прерываний с быстрой обработкой нескольких векторов (32 вектора с 16 уровнями приоритетов IRQ , 2 источника маскируемых FIQ );
• до 48 портов входа/выхода ( I / O ) с 30/32/48 многофункциональными двунаправленными линиями I / O , из них 14 с возможностью прерываний;
• JTAG интерфейс для отладки;
• индустриальный температурный диапазон от -40° C до + 85° C ;

Микросхемы изготавливаются в малоразмерных, низкопрофильных корпусах TQFP 64 или TQFP 144. Серия в 144-штырьковом корпусе TQFP 144 обеспечивает интерфейсы CAN , USB и интерфейс внешней памяти. Версии в 64-штырьковом корпусе TQFP 64 обеспечивают только CAN или USB интерфейс.

Не мультиплексированная шина 16-бит данных / 24-бит адресов, имеющаяся у STR 710 F в корпусе TQFP 144, предназначена для поддержки до четырех 16- M байтных банков внешней памяти. Индивидуально программируемые для каждого банка режимы ожидания позволяют использовать для хранения программ или данных различные типы памяти ( Flash , EPROM , ROM , SRAM и т.д.).

У микроконтроллеров имеется разнообразная встроенная периферия:

- интерфейс CAN ( STR 710 F и STR 712 F ) соответствует стандарту V 2.0 часть B (активный) и может обеспечить скорость передачи информации до 1 M бод;

- интерфейс полноскоростного USB ( STR 710 F и STR 711 F ) стандарта USB V 2.0 обеспечивает до 8 двунаправленных или 16 однонаправленных конечных точек и скорость передачи данных до 12 Мбит/с с поддержкой групповой пересылки и операций приостановки/продолжения работы USB ;

- каждый из четырех таймеров имеет независимый 16-разрядный счетчик с 7-разрядным предварительным делителем частоты, два входа схемы выборки и два выхода компаратора, счетчик импульсов и канал ШИМ с выбираемой частотой;

- три интерфейса UART позволяют обеспечить полнодуплексные асинхронные соединения с внешними устройствами и независимо программируемой скоростью передачи ( TX ) и приема ( RX ) информации до 250 K бод;

- четвертый UART интерфейс используется для обеспечения асинхронного интерфейса Смарт-карт по стандарту ISO 7816-3;

- каждый из двух буферированных последовательных интерфейсов периферии ( BSPI ) обеспечивают полнодуплексные синхронные соединения с внешними устройствами в режиме мастер или ведомый на скорости до 8 M бит/с. Один них может использоваться как интерфейс Мультимедиа-карт;

- два I 2 C интерфейса с функциями мульти-мастер и ведомый поддерживают нормальный и быстрый режимы работы I 2 C (400 КГц) и 7 или 10-разрядный режимы адресации. Один из интерфейсов I 2 C мультиплексирован с SPI , так что можно использовать одновременно 2 xSPI +1 x I 2 C или 1 xSPI +2 x I 2 C ;

- модуль интерфейса высокоуровневого протокола управления каналом ( HDLC ) поддерживает полнодуплексную работу и несколько протоколов, включая без возвращения к нулю ( NRZ ), без возвращения к нулю и с инверсией ( NRZI ), FM 0 или манчестерский. Модуль использует внутренний 8-разрядный двоичный генератор;

- сигма-дельта аналого-цифровой преобразователь может использовать для работы от одного до четырех каналов в однократном или непрерывном режимах преобразования. Его разрешающая способность составляет 12-разрядов при типовой скорости 0,5 кГц или 2 мс (1 кГц или 1мс при одноканальном режиме работы). Амплитуда входного напряжения составляет от нуля до 2,5 В;

- 16-разрядный сторожевой таймер защищает приложение от аппаратных или программных ошибок и гарантирует восстановление путем генерирования сигнала сброса;

- имеется 48 портов входа/выхода ( I / O ), каждый из которых может программировать в качестве входа или выхода;

- до 14 внешних прерываний доступно для прикладного использования или запуска после состояния ожидания в режиме STOP.

Блок-схема серии микроконтроллеров STR 71 xx показана на рис.1, а ее состав приведен в таблице 1 [1].

Рис. 1. Функциональная блок-схема микроконтроллеров STR 71 xx

Таблица 1. Состав серии микроконтроллеров серии STR 71 xx

Основными особенностям серии микроконтроллеров STR 72х являются:

•  короткий цикл проектирования и легкость адаптации к требованиям потребителей;

•  комбинация данные, кэш команд и буфер записи увеличивает скорость работы и уменьшает число каналов обращения к памяти;

•  комбинирование SDRAM и кэш дает оптимальный режим работы;

•  интерфейсы памяти делают микроконтроллеры очень универсальными и удобными для модифицируемых приложений;

•  устройство управления памятью ( MMU ) позволяет работать с современными операционными системами типа Linux , WIN - CE , QNX .

Основными параметрами серии STR72x являются:

•  Высокопроизводительное 66 МГц ядро ARM 720 T с 16/32-бит архитектурой RISC , кэш, 32-бит АЛУ и MMU ;

•  до 4 кбайт ROM загрузочной памяти;

•  до 16 кбайт высокоскоростного внутреннего ОЗУ ( SRAM ) для программ;

•  интерфейс внешнего ОЗУ с адресным пространством до 128 Мбайт SDRAM ;

•  интерфейс внешней памяти ( EMI ) для 8 Мбайт SRAM , Flash или ROM .

•  пакетный интерфейс периферийных устройств для АТ-совместимых компьютеров ( ATAPI ) с поддержкой режима PIO 4;

три таймера: из них два программируемых 16-бит с предварительным делением частоты (с коэффициентом деления f APB от 1 до 256), с функциями выборки и сравнения и один 16-бит сторожевой таймер с 8-бит предварительным делителем;

6 коммутационных интерфейсов, включая BSPI , UART , CAN и USB ;

•  4 режима понижения потребления: SLOW , WAIT , STOP и STANDBY ;

11-разрядный (планируется 14-разрядный) АЦП с поддержкой четырех мультиплексированных входов и с частотой отсчетов 950 Гц в каждом канале;

до 35 многофункциональных двунаправленных вводов-выводов общего назначения (I/O), из них 5 с возможностью прерываний;

5-проводной JTAG интерфейс (стандарта IEEE 1149.1);

порт для отладки и трассировки внешней памяти ( ETM ) в версии с корпусом CPGA 391;

индустриальный температурный диапазон от -40° C до + 85° C ;

корпус PQFP 208 или большой корпус BGA с поддержкой ETM .

Функциональная блок-схема данной серии микроконтроллеров представлена на рис.2 [2].

Рис. 2. Функциональная блок-схема микроконтроллеров STR 720 x

Архитектура ARM ядра ориентирована на быстрое и эффективное выполнение относительно небольшого набора встроенных команд (RISC). Система его команд и связанный с ней механизм декодирования более простой, чем у архитектур с полным набором команд ( CISC ). Эта простота приводит к высокой командной производительности и к быстрой реакции на прерывания в реальном масштабе времени.

Thumb-ориентированные ядра типа ARM7TDMI выполняют и 32-разрядные команды ARM и 16-разрядные команды Thumb. Разработчики могут смешивать подпрограммы в кодах Thumb и в кодах ARM в одном и том же адресном пространстве, что позволяет программисту от подпрограммы к подпрограмме находить компромисс между размером кода и производительностью так, как это требуется применением.

Наличие встроенных кэш и буфера записи существенно повышает среднее быстродействие и понижает среднюю ширину полосы частот объема памяти, определяемую процессором. Это позволяет внешней памяти обеспечивать поддержку каналов прямого доступа в память ( DMA ) при минимальной потери производительности.

Устройством управления памятью ( MMU ) поддерживается типовая двухуровневая память со странично-табличной структурой и некоторым количеством расширений. Это делает микроконтроллеры удобными для встраиваемых систем управления, UNIX и объектно-ориентированных систем. Назначение виртуальных адресов с различной идентификацией повышает производительность при работе с переключением задач и задействовании кэша. Перераспределения виртуальных адресов осуществляется встроенным внутрисхемным эмулятором .

Интерфейс памяти позволяет уменьшить затраты системы памяти с сохранением потенциальной производительности микроконтроллера. Критичные по быстродействию сигналы управления конвейеризованы, что позволяет реализовать системные функции управления с помощью стандартной маломощной логики и способствует применению быстрых локальных режимов доступа, предлагаемых соответствующими промышленными стандартами динамической оперативной памяти.

Рассмотрим несколько особенностей встроенного периферийного оборудования ядра STR720, которое можно выделить в различные группы по соответствующим шинам (рис.2):

- набор периферии по шине AHB . Этот набор содержит все периферийное оборудование, которое требует высокую скорость передачи с быстрым доступом: программную память типа RAM; память аппаратного загрузчика типа ROM ; контроллер прямого доступа в память ( DMA ), обеспечивающий передачу данных между периферийным оборудованием и памятью; интерфейс ATAPI для подключения внешнего накопителя на CDROM или жесткого диска; SDRAMC контроллер, позволяющий использовать в качестве системной памяти банки SDRAM, и интерфейс внешней памяти ( EMI ), который допускает прямое подключение внешней Flash-памяти для загрузки системы или других устройств внешней памяти. Два различных моста AHB - APB обеспечивают доступ ядра к остальной части периферийных средств STR720;

- набор периферии по шине S - APB . Этот набор содержит системное периферийное оборудование, которое нуждается в синхронной работе с ARM720T ядром из-за требований по функционирования или интегрирования. Он включает расширенный контроллер прерываний ( EIC ); устройства управления запуском/прерываний ( WIU ), которое расширяет возможности прерывания ARM720T; устройства управления сбросом тактового генератора ( RCCU ), которое осуществляет выбор между различными системными параметрами генератора и управляет всеми режимами понижения потребления; часы реального времени для отсчета времени выключенного питания со своим генератором и порты ввода - вывода с перестраиваемой конфигурацией, обеспечивающие доступ к большому числу выводных контактов с перестраиваемой конфигурацией;

- набор периферии по шине A - APB . Этот набор содержит большинство системного периферийного оборудования предназначенного для работы на более низкой частоте, чем у ядра ARM720T, что понижает полное потребление энергии. Этот набор включает: совокупность последовательных каналов для осуществления различных видов пользовательских интерфейсов ( BSPI и UART ), протокол специфических последовательных интерфейсов типа CAN и USB ; 4-х канальный аналого-цифровой преобразователь, применяемый для контроля управляющего напряжения; 2 независимых расширенных функциональных таймера ( EFT ), которые могут использоваться в качестве системного планировщика; сторожевой таймер ( WDG ) для обеспечения системной надежности и порты ввода - вывода с перестраиваемой конфигурацией.

Выполненные по передовой архитектуре ARM TM , микроконтроллеры STR 7хх позволяют пользователям быстро реагировать на возникающие требования к продукции и осуществлять модернизацию за более низкую цену.

Обычно при появлении новых высокотехнологичных изделий появляется много вопросов относительно доступности инструментальных и программных средств для разработки проектов на их основе. Б лагодаря тесному партнерству компаний ST и ARM , микроконтроллеры ST обеспечены дешевым оценочным комплектом ARM RealView ® специально предназначенным для серии STR7хх. В состав этого комплекта входит популярное программное обеспечение ARM RealView Developer Suite ™ и соответствующее техническое оборудование. Перечень доступных отладочных средств, которые производятся ST , представлен в таблице 2. Внешний вид оценочной платы для STR 720 x показан на рис. 3.

Таблица 2 – список отладочных средств, производимый ST

ARM - одна из самых популярных 16/32-разрядных архитектур, используемых по всему миру. Данная архитектура оптимизирована по показателям высокой производительности, малому потреблению и малой стоимости. Переход на 32-разрядные проекты приводит к принципиально иным подходам при проектировании, сфокусированному на программно управляемой отладочной системе ARM Embedded ICE-RT и Embedded Trace Macrocell (ETM). Так как серия STR7хх полностью совместима с другими ARM – микроконтроллерами, то она поддерживается эффтивными инструментальными и программными средствами развития, выпускаемыми целым рядом компаний для 32-разрядных микроконтроллеров:

• ARM: www.arm.com
• Ashling: www.ashling.com
• GreenHills: www.greenhills.com
• Hitex: www.hitex.com
• IAR : www . iar . com
• PLS : www . pls - mc . com

Рис. 3. Оценочная плата для STR 720 x

Одним из признанных лидеров в производстве инструментальных и программных средств для 8- и 16-разрядных микроконтроллеров является компания Hitex. Она предлагает осуществлять переход к  32-разрядным микроконтроллерам с помощью традиционного интерфейса пользователя HiTOP и специализированной инженерной поддержки новых пользователей ARM. Инструментальные средства ARM включают: программирование F lash , Real Monitor и полную поддержку ETM. Hitex имеет несколько решений для всех этапов проектирования c ARM:

•  HiSIM - симулятор системы команд для ARM- и ARM Thumb 

•  ARM Board Support Package

•  ARM Starter Kit

•  JTAG отладчик Tantino для ARM

•  Высокоуровневый эмулятор TantoARM

 

Литература

1. STR7xF, Product preview, Rev.2.2, STMicroelectronics, april 2004. – 33c.

2. STR720, Product preview, Rev.3.1, STMicroelectronics, april 2004. – 369c.

Автор: Анатолий Юдин