LPC43S50/S30/S20：32 位 ARM Cortex - M4/M0 微控制器的深度剖析

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，選擇一款合適的微控制器至關(guān)重要。NXP 推出的 LPC43S50/S30/S20 32 位 ARM Cortex - M4/M0 微控制器，憑借其豐富的功能和卓越的性能，成為眾多工程師的理想之選。今天，我們就來深入了解這款微控制器。

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一、概述

LPC43S50/S30/S20 是基于 ARM Cortex - M4 架構(gòu)的微控制器，專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它集成了 ARM Cortex - M0 協(xié)處理器，擁有高達(dá) 264 kB 的 SRAM，具備 AES 引擎等安全特性，以及一系列先進(jìn)的可配置外設(shè)。該系列微控制器的 CPU 頻率最高可達(dá) 204 MHz，能滿足多種復(fù)雜應(yīng)用的需求。

二、核心特性

（一）處理器核心

1. ARM Cortex - M4 處理器
   • 運(yùn)行頻率最高可達(dá) 204 MHz，內(nèi)置支持八個(gè)區(qū)域的內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），以及嵌套向量中斷控制器（NVIC）。
   • 集成硬件浮點(diǎn)單元，支持單周期數(shù)字信號處理和 SIMD 指令，具備非屏蔽中斷（NMI）輸入。
   • 支持 JTAG 和串行線調(diào)試（SWD）、串行跟蹤、八個(gè)斷點(diǎn)和四個(gè)觀察點(diǎn)，還具備增強(qiáng)跟蹤模塊（ETM）和增強(qiáng)跟蹤緩沖區(qū)（ETB）支持，以及系統(tǒng)滴答定時(shí)器。
2. ARM Cortex - M0 協(xié)處理器
   • 能夠分擔(dān)主 ARM Cortex - M4 應(yīng)用處理器的工作負(fù)載，運(yùn)行頻率同樣可達(dá) 204 MHz。
   • 內(nèi)置 NVIC，擁有 32 個(gè)向量中斷。

（二）片上內(nèi)存

• 提供高達(dá) 264 kB 的 SRAM 用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，多個(gè) SRAM 塊具有獨(dú)立的總線訪問功能，其中兩個(gè) SRAM 塊可單獨(dú)掉電。
• 64 kB 的 ROM 包含引導(dǎo)代碼和片上軟件驅(qū)動(dòng)，還有 64 位通用一次性可編程（OTP）內(nèi)存和兩個(gè)用于 AES 密鑰存儲(chǔ)的 256 位 OTP 內(nèi)存庫。

（三）時(shí)鐘生成單元

• 晶體振蕩器的工作范圍為 1 MHz 至 25 MHz，12 MHz 內(nèi)部 RC（IRC）振蕩器在溫度和電壓范圍內(nèi)的精度可調(diào)整至 1.5%。
• 超低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）晶體振蕩器，三個(gè)鎖相環(huán)（PLL）允許 CPU 在無需高頻晶體的情況下達(dá)到最大 CPU 速率，第二個(gè) PLL 專門用于高速 USB，第三個(gè) PLL 可作為音頻 PLL。同時(shí)還具備時(shí)鐘輸出功能。

（四）可配置數(shù)字外設(shè)

1. 串行 GPIO（SGPIO）接口
   • 每個(gè) SGPIO 輸入/輸出切片可進(jìn)行串行到并行或并行到串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，16 個(gè) SGPIO 輸入/輸出切片各有一個(gè) 32 位 FIFO，可在每個(gè)移位時(shí)鐘周期對引腳的輸入值或輸出值進(jìn)行移位。
   • 每個(gè)切片采用雙緩沖，在 FIFO 滿、移位時(shí)鐘或模式匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，切片還可串聯(lián)以增加緩沖區(qū)大小，且每個(gè)切片都有 32 位模式匹配過濾器。
2. 狀態(tài)可配置定時(shí)器（SCTimer/PWM）子系統(tǒng)
   • 可配置為兩個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器或一個(gè)統(tǒng)一的 32 位計(jì)數(shù)器，支持多種定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸出調(diào)制和輸入捕獲操作。
   • 具備狀態(tài)變量、限制、暫停、停止和啟動(dòng)條件等獨(dú)立操作元素，以及時(shí)鐘選擇、輸入、事件、輸出和中斷等全局操作元素。

（五）串行接口

1. Quad SPI Flash 接口（SPIFI）
   • 支持 1、2 或 4 位數(shù)據(jù)傳輸，速率最高可達(dá) 52 MB 每秒，可與低成本串行閃存存儲(chǔ)器連接，且支持 DMA 訪問。
2. 10/100T 以太網(wǎng) MAC
   • 具備 RMII 和 MII 接口以及 DMA 支持，支持 IEEE 1588 時(shí)間戳/高級時(shí)間戳（IEEE 1588 - 2008 v2），可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和精確時(shí)間同步。
3. USB 接口
   • 一個(gè)高速 USB 2.0 主機(jī)/設(shè)備/OTG 接口（USB0），具備 DMA 支持和片上高速 PHY；一個(gè)高速 USB 2.0 主機(jī)/設(shè)備接口（USB1），具備 DMA 支持、片上全速 PHY 和 ULPI 接口以連接外部高速 PHY。同時(shí)，ROM USB 堆棧中包含 USB 接口電氣測試軟件。
4. UART 和 USART
   • 四個(gè) 550 UART 具備 DMA 支持，其中一個(gè) UART 帶有完整調(diào)制解調(diào)器接口，一個(gè) UART 帶有 IrDA 接口，三個(gè) USART 支持 UART 同步模式和符合 ISO7816 規(guī)范的智能卡接口。
5. 其他接口
   • 兩個(gè) SSP 控制器具備 FIFO 和多協(xié)議支持，且都有 DMA 支持；一個(gè) SPI 控制器；一個(gè)快速模式 Plus I2C - 總線接口和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) I2C - 總線接口；兩個(gè) I2S 接口，每個(gè)都有 DMA 支持，且各有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。

（六）數(shù)字外設(shè)

1. 外部內(nèi)存控制器（EMC）
   • 支持外部 SRAM、ROM、NOR 閃存和 SDRAM 設(shè)備，具有動(dòng)態(tài)內(nèi)存接口支持、異步靜態(tài)內(nèi)存設(shè)備支持、低事務(wù)延遲、讀寫緩沖區(qū)等特點(diǎn)，可提供 8/16/32 位數(shù)據(jù)和 24 位地址線的靜態(tài)內(nèi)存支持，以及 16 位和 32 位寬的芯片選擇 SDRAM 內(nèi)存支持。
2. LCD 控制器
   • 具備 DMA 支持，可編程顯示分辨率最高可達(dá) 1024 H × 768 V，支持單色和彩色 STN 面板以及 TFT 彩色面板，支持 1/2/4/8 bpp 顏色查找表（CLUT）和 16/24 位直接像素映射。
3. Secure Digital 輸入輸出（SD/MMC）卡接口
   • 支持 Secure Digital 內(nèi)存（SD 版本 3.0）、Secure Digital I/O（SDIO 版本 2.0）、消費(fèi)電子高級傳輸架構(gòu)（CE - ATA 版本 1.1）和多媒體卡（MMC 版本 4.4）。
4. 通用 DMA 控制器
   • 可進(jìn)行外設(shè)到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)、外設(shè)到外設(shè)和內(nèi)存到內(nèi)存的事務(wù)，有八個(gè) DMA 通道，支持單 DMA 和突發(fā) DMA 請求信號，支持分散或聚集 DMA，具備硬件 DMA 通道優(yōu)先級等特性。

（七）模擬外設(shè)

1. 10 位 DAC
   • 具備 DMA 支持，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為 400 kSamples/s，具有 10 位分辨率、單調(diào)設(shè)計(jì)、可控轉(zhuǎn)換速度和低功耗等特點(diǎn)。
2. 兩個(gè) 10 位 ADC
   • 具備 DMA 支持，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為 400 kSamples/s，每個(gè) ADC 最多有八個(gè)輸入通道。

（八）電源管理

• 采用單 3.3 V（2.2 V 至 3.6 V）電源供電，片上內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為核心供電和 RTC 電源域供電，RTC 電源域可由 3 V 電池單獨(dú)供電。
• 支持四種降低功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式和深度掉電模式?？赏ㄟ^各種外設(shè)的喚醒中斷從睡眠模式喚醒處理器，通過外部中斷和 RTC 電源域中電池供電模塊產(chǎn)生的中斷從深度睡眠、掉電和深度掉電模式喚醒。同時(shí)具備欠壓檢測功能，有四個(gè)獨(dú)立的閾值用于中斷和強(qiáng)制復(fù)位，以及上電復(fù)位（POR）。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LPC43S50/S30/S20 適用于多種應(yīng)用場景，包括通信集線器、汽車售后市場、電源管理、消費(fèi)健康設(shè)備、嵌入式音頻應(yīng)用、工業(yè)控制、工業(yè)自動(dòng)化和白色家電等。

四、訂購信息

該系列提供多種封裝類型，如 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等，不同型號在 SRAM 大小、LCD、以太網(wǎng)、USB 功能、ADC 通道、QEI、GPIO 數(shù)量等方面存在差異，工程師可根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

五、功能描述

（一）架構(gòu)概述

ARM Cortex - M4 包含系統(tǒng)總線、I - CODE 總線和 D - code 總線三條 AHB - Lite 總線，LPC43S50/S30/S20 使用多層 AHB 矩陣以靈活的方式將 ARM Cortex - M4 總線和其他總線主設(shè)備連接到外設(shè)，優(yōu)化了性能。同時(shí)，ARM Cortex - M0 協(xié)處理器可分擔(dān)主處理器的工作，大多數(shù)外設(shè)中斷連接到兩個(gè)處理器，它們通過處理器間通信協(xié)議進(jìn)行通信。

（二）處理器特性

1. ARM Cortex - M4 處理器
   • 采用 3 級流水線，使用哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線，內(nèi)部預(yù)取單元支持推測分支。支持單周期數(shù)字信號處理和 SIMD 指令，集成硬件浮點(diǎn)處理器，包含最多 53 個(gè)中斷的 NVIC。
2. ARM Cortex - M0 協(xié)處理器
   • 是通用的 32 位微處理器，采用 3 級流水線馮 - 諾伊曼架構(gòu)和小型但強(qiáng)大的指令集，具備 32 個(gè)中斷的 NVIC。

（三）處理器間通信

ARM Cortex - M4 和 ARM Cortex - M0 通過使用共享 SRAM 作為郵箱，并通過在對方處理器的 NVIC 上引發(fā)中斷來進(jìn)行通信。

（四）其他功能單元

1. AHB 多層矩陣
   • 實(shí)現(xiàn)了主設(shè)備和從設(shè)備的靈活連接，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。
2. 嵌套向量中斷控制器（NVIC）
   • 是 Cortex - M4 的組成部分，可實(shí)現(xiàn)低中斷延遲和高效處理遲到的中斷。ARM Cortex - M0 協(xié)處理器也有自己的 NVIC，大多數(shù)外設(shè)中斷在兩者之間共享。
3. 系統(tǒng)滴答定時(shí)器（SysTick）
   • ARM Cortex - M4 包含一個(gè)系統(tǒng)滴答定時(shí)器，用于以 10 ms 間隔生成專用的 SYSTICK 異常，而 ARM Cortex - M0 核心不包含該定時(shí)器。
4. 事件路由器
   • 可將各種內(nèi)部信號、中斷和外部中斷引腳組合起來，在 NVIC 中創(chuàng)建中斷，并可生成喚醒信號，使系統(tǒng)從睡眠、深度睡眠、掉電和深度掉電模式中喚醒。
5. 全局輸入多路復(fù)用器陣列（GIMA）
   • 可將信號路由到事件驅(qū)動(dòng)的外設(shè)目標(biāo)，如 SCTimer/PWM、定時(shí)器、事件路由器或 ADC。

（五）內(nèi)存映射

內(nèi)存映射對 Cortex - M4 和 Cortex - M0 處理器是全局的，所有 SRAM 在兩個(gè)處理器之間共享，每個(gè)處理器使用自己的 ARM 私有總線內(nèi)存映射用于 NVIC 和其他系統(tǒng)功能。

（六）一次性可編程（OTP）內(nèi)存

提供 64 位通用一次性可編程內(nèi)存，256 位 OTP 內(nèi)存可用于存儲(chǔ)兩個(gè) AES 密鑰，其中一個(gè)庫是加密的。

（七）通用輸入輸出（GPIO）

提供八個(gè) GPIO 端口，每個(gè)端口最多有 31 個(gè) GPIO 引腳，設(shè)備引腳可動(dòng)態(tài)配置為輸入或輸出，GPIO 寄存器位于 AHB 上以實(shí)現(xiàn)最快的 I/O 時(shí)序，還具備位級設(shè)置和清除寄存器、方向控制等功能，最多可選擇八個(gè) GPIO 引腳創(chuàng)建邊緣或電平敏感的 GPIO 中斷請求，還有兩個(gè) GPIO 組中斷。

六、電氣特性

（一）限制值

對各種電源引腳的電壓、電流等參數(shù)有明確的限制，如 VDD(REG)(3V3) 調(diào)節(jié)器電源電壓范圍為 - 0.5 V 至 3.6 V，輸入電壓在不同條件下也有相應(yīng)的限制，同時(shí)對靜電放電電壓等也有規(guī)定。

（二）熱特性

可通過公式 (T{j}=T{amb}+(P{D} × R{th(j - a)})) 計(jì)算芯片的平均結(jié)溫，不同封裝類型的熱阻不同，如 LQFP144 封裝在不同條件下的熱阻有所差異，BGA 封裝也有各自的熱阻特性。

（三）靜態(tài)特性

對各種電源引腳的電壓、電流等靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明，如不同工作模式下的調(diào)節(jié)器電源電流、電池供電電流等，不同類型引腳的輸入電容、泄漏電流、輸出電壓等也有明確的參數(shù)范圍。

（四）動(dòng)態(tài)特性

1. 喚醒時(shí)間
   • 從睡眠模式喚醒的時(shí)間為 3 × (T{cy(clk)}) 至 5 × (T{cy(clk)}) ns，從深度睡眠和掉電模式喚醒的時(shí)間為 12 至 51 μs，從深度掉電模式喚醒的時(shí)間為 250 μs。
2. 時(shí)鐘相關(guān)特性
   • 外部時(shí)鐘的頻率范圍為 1 至 25 MHz，時(shí)鐘周期時(shí)間、高電平和低電平時(shí)間等都有相應(yīng)的要求。晶體振蕩器、IRC 振蕩器、RTC 振蕩器等在不同頻率下的周期抖動(dòng)時(shí)間、頻率等參數(shù)也有規(guī)定。
3. I/O 引腳特性
   • 不同類型的 I/O 引腳（標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳、高速 I/O 引腳等）在上升時(shí)間、下降時(shí)間等方面有不同的要求，I2C - 總線、I2S - 總線接口、USART 接口、SSP 接口、SPI 接口等的動(dòng)態(tài)特性也有詳細(xì)說明。

（五）ADC/DAC 電氣特性

1. ADC 特性
   • 模擬輸入電壓范圍為 0 至 VDDA(3V3)，具有一定的輸入電容，在不同的 VDDA(3V3) 電壓范圍內(nèi)，差分線性誤差、積分非線性、偏移誤差、增益誤差和絕對誤差等有不同的取值范圍，采樣頻率在不同分辨率下也有所不同。
2. DAC 特性
   • 在不同的 VDDA(3V3) 電壓范圍內(nèi)，差分線性誤差、積分非線性、偏移誤差、增益誤差等有相應(yīng)的取值，負(fù)載電容和負(fù)載電阻也有規(guī)定，同時(shí)給出了建立時(shí)間。

七、應(yīng)用信息

（一）LCD 面板信號使用

詳細(xì)說明了不同類型 LCD 面板（STN 單面板、STN 雙面板、TFT 面板）與 LPC43S50/S30/S20 的連接方式和引腳功能。

（二）晶體振蕩器

晶體振蕩器可在 1 MHz 至 25 MHz 頻率下工作，可通過 PLL 提升頻率，有奴隸模式和振蕩模式兩種工作模式，在不同模式下對外部組件有不同的要求，還給出了不同頻率下推薦的外部負(fù)載電容值。

（三）RTC 振蕩器

RTC 振蕩器只需連接外部晶體和電容，也可連接外部時(shí)鐘，對時(shí)鐘信號的幅度和耦合電容有要求。

（四）PCB 布局指南

強(qiáng)調(diào)了晶體和 RTCX 在 PCB 上的布局要求，如盡量靠近芯片的振蕩器輸入和輸出引腳，確保負(fù)載電容有共同的接地平面，避免高速或高驅(qū)動(dòng)信號靠近 RTCX1/2 信號等。

（五）標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳配置

標(biāo)準(zhǔn) I/O 引腳有多種配置模式，默認(rèn)配置為輸入緩沖禁用和上拉啟用，還具備抗干擾濾波器等功能。

（六）復(fù)位引腳配置

復(fù)位引腳有相應(yīng)的配置電路，具備 20 ns 的 RC 濾波器。

（七）USB 接口解決方案

介紹了 USB 設(shè)備作為總線供電設(shè)備和自供電設(shè)備的連接方式和注意事項(xiàng)，對于自供電設(shè)備，當(dāng) VDDIO 可能為 0 V 時(shí)，需要采取措施保護(hù) USBn_VBUS 引腳，如使用電壓分壓器等。

八、封裝和焊接

提供了 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等封裝的詳細(xì)尺寸信息，以及不同封裝的回流焊接的焊盤信息，包括焊盤尺寸、焊膏沉積等參數(shù)。

LPC43S50/S30/S20 微控制器以其豐富的功能、高性能和低功耗等特點(diǎn)，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體應(yīng)用需求，充分利用其各種特性，開發(fā)出更優(yōu)秀的產(chǎn)品。同時(shí)，在使用過程中要嚴(yán)格遵循其電氣特性和應(yīng)用指南，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用這款微控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。