NXP LH75401/LH75411系統(tǒng)級芯片：低成本高集成的設(shè)計之選

引言：NXP收購與產(chǎn)品概述

2007年6月1日，NXP從夏普半導(dǎo)體收購了LH7xxx ARM微控制器產(chǎn)品線，自此NXP的LH75401/LH75411家族登上電子舞臺。這是兩款低成本的16/32位系統(tǒng)級芯片（SoC），在眾多電子設(shè)備設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。它們在硬件設(shè)計界備受關(guān)注，究竟有何獨特之處呢？下面我們就來深入了解一下。

文件下載：LH75411N0Q100C0;55.pdf

產(chǎn)品特性剖析

通用特性：集成度與性能并存

• 高度集成：這兩款芯片將眾多功能模塊集成于一體，大大節(jié)省了電路板空間，降低了設(shè)計復(fù)雜度。像ARM7TDMI - S?內(nèi)核就為芯片提供了強大的計算能力。
• 高性能：CPU速度可達84 MHz，其時鐘可以由內(nèi)部PLL驅(qū)動，也能使用外部時鐘，且支持14 MHz至20 MHz的晶體振蕩器輸入頻率范圍。這使得芯片在不同的時鐘源配置下都能穩(wěn)定且高效地工作。
• 豐富內(nèi)存：片上擁有32 kB SRAM，其中包括16 kB緊密耦合內(nèi)存（TCM）SRAM和16 kB內(nèi)部SRAM。TCM能讓處理器快速訪問數(shù)據(jù)，提升了系統(tǒng)整體性能。
• 低功耗管理：具備多種低功耗模式，如待機、睡眠、停止模式。這對于一些對功耗要求較高的應(yīng)用場景，如便攜式設(shè)備，無疑是非常有吸引力的特性。
• 豐富接口：擁有八通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、集成觸摸屏控制器、多種串行接口（如UART、同步串口）等，還配備實時時鐘（RTC）、三個計數(shù)器/定時器、看門狗定時器（WDT）等，為各種應(yīng)用提供了全面的接口支持。

獨特特性：差異化功能亮點

• LH75401：具備彩色和灰度液晶顯示（LCD）控制器，支持多種色彩模式和顯示分辨率，最高可達VGA。同時還擁有支持CAN version 2.0B的CAN控制器，適用于需要進行CAN總線通信的工業(yè)控制等領(lǐng)域。
• LH75411：與LH75401類似，同樣具備彩色和灰度LCD控制器，但沒有CAN 2.0B控制器，適合對CAN通信需求不大的應(yīng)用場景。

技術(shù)架構(gòu)詳解

處理器核心與總線架構(gòu)

這兩款芯片采用ARM7TDMI - S核心，搭配先進的高性能總線（AHB）2.0接口，屬于ARM7 Thumb處理器家族的成員。芯片內(nèi)部使用ARM高級微控制器總線架構(gòu)（AMBA）2.0內(nèi)部總線協(xié)議，有三個AHB主設(shè)備控制對外部內(nèi)存和片上外設(shè)的訪問。ARM處理器負責(zé)指令提取和數(shù)據(jù)傳輸，直接內(nèi)存訪問控制器（DMAC）負責(zé)內(nèi)存與內(nèi)存、外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，LCDC則從外部或內(nèi)部內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)刷新LCD面板。這種架構(gòu)使得各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸高效有序，提升了系統(tǒng)整體性能。

電源與時鐘管理

芯片采用5V容忍的3.3V I/O，僅需單一3.3V電源供電。核心邏輯需要1.8V電源，可由片上線性穩(wěn)壓器提供，也可外部供電以實現(xiàn)更高系統(tǒng)速度。時鐘源方面，芯片可以選擇兩個晶體振蕩器或外部時鐘信號。有兩個時鐘樹，一個驅(qū)動內(nèi)部PLL和三個UART，另一個32.768 kHz振蕩器為RTC提供1 Hz時鐘。為了實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器波特率，建議使用14.7456 MHz的振蕩器頻率。并且PLL可以被旁路，使用外部時鐘信號輸入。

復(fù)位與仲裁機制

芯片有外部和內(nèi)部兩種復(fù)位方式。外部復(fù)位信號有nPOR和nRESETIN，nPOR用于上電復(fù)位，nRESETIN可將除JTAG電路外的內(nèi)部寄存器設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。內(nèi)部復(fù)位包括系統(tǒng)復(fù)位和RTC復(fù)位，可由外部復(fù)位信號、內(nèi)部看門狗定時器或軟復(fù)位觸發(fā)，復(fù)位延遲取決于PLL鎖定狀態(tài)。在AHB主設(shè)備優(yōu)先級和仲裁方面，三個AHB主設(shè)備（ARM處理器、DMAC、LCD控制器）都有固定的優(yōu)先級，其中彩色LCDC優(yōu)先級最高，DMAC次之，ARM7TDMI - S核心最低。

內(nèi)存接口架構(gòu)

芯片片上提供了豐富的數(shù)據(jù)路徑管理資源，如AHB和APB數(shù)據(jù)總線、16 kB的零等待狀態(tài)TCM SRAM、16 kB的內(nèi)部SRAM、靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）和4流通用DMAC。所有系統(tǒng)資源都是內(nèi)存映射的，內(nèi)存映射分區(qū)有三種視圖，基于重置、時鐘和電源控制器（RCPC）中的REMAP位設(shè)置。外部內(nèi)存段分為八個64 MB的部分，其中前四個部分使用，每個部分都有一個片選信號。

外設(shè)模塊功能

靜態(tài)隨機存取存儲器控制器（SRAM）

芯片擁有32 kB的靜態(tài)隨機存取存儲器，分為兩個16 kB的塊，分別是可供處理器訪問的TCM 0等待狀態(tài)SRAM和可通過處理器、DMAC和LCDC訪問的內(nèi)部SRAM。每個內(nèi)存段為512 MB，但實際TCM和內(nèi)部SRAM大小均為16 kB，超出部分會映射到較低的16 kB，不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)或預(yù)取錯誤。

靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）

SMC是一個AMBA AHB從外設(shè)，為芯片和外部內(nèi)存設(shè)備提供接口。它提供四個外部內(nèi)存庫，每個最大為16 MB，支持多種內(nèi)存映射設(shè)備，如RAM、ROM、Flash等，支持8位和16位的外部總線和設(shè)備寬度，還支持異步突發(fā)模式讀取訪問和通過外部硬件引腳實現(xiàn)無限擴展等待狀態(tài)。

直接內(nèi)存訪問控制器（DMAC）

一個中央DMAC為所有支持DMA的外設(shè)服務(wù)，有四個數(shù)據(jù)流，可用于處理外設(shè)到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)以及內(nèi)存到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸。它有三種傳輸模式，內(nèi)置數(shù)據(jù)流仲裁器，每個流有七個可編程寄存器，并且能夠通過中斷指示傳輸錯誤。

彩色LCD控制器（CLCDC）

CLCDC是一個AMBA主從模塊，連接到AHB，可將像素編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動單/雙單色和彩色LCD面板所需的格式和時序。它支持多種類型的LCD面板，如STN、TFT等，具備可編程分辨率和先進的LCD接口，還可在不需要LCDC時將其輸出用作通用輸入/輸出（GPIO）。

通用異步收發(fā)器（UARTs）

芯片包含三個UART，UART0和UART1功能類似于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16C550，支持高達921,600波特的波特率，具有全雙工操作、獨立的發(fā)送和接收FIFO等功能。UART2類似于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的82510，支持高達3,225,600波特的波特率，功能更加豐富。

定時器與RTC

芯片有三個16位定時器，由系統(tǒng)時鐘或內(nèi)部縮放時鐘驅(qū)動，可用于脈沖寬度調(diào)制（PWM）和比較功能。定時器支持捕獲和比較功能，并能產(chǎn)生中斷。實時時鐘（RTC）是一個AMBA從模塊，提供基本的報警功能或作為長時間基計數(shù)器，可在計數(shù)達到編程周期數(shù)后產(chǎn)生中斷信號。

CAN控制器與ADC

CAN 2.0B控制器是一個符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，用于串行通信，支持11位和29位標(biāo)識符，最高速率可達1 Mbit/s，具備多種功能，如接收FIFO、軟件驅(qū)動的比特率檢測等。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一個8通道、10位的轉(zhuǎn)換器，集成了觸摸屏控制器，還具備欠壓檢測器，可在電源電壓下降時中斷處理器核心。

同步串口（SSP）

SSP是一個僅支持主模式的接口，用于與具有Motorola SPI、National Semiconductor Microwire或Texas Instruments SSI兼容接口的從外設(shè)進行同步串行通信。它支持中斷驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，可編程時鐘比特率和數(shù)據(jù)幀大小。

看門狗定時器（WDT）

WDT由一個32位的遞減計數(shù)器組成，可選擇超時時間間隔來檢測故障。定時器必須定期由軟件重置，否則會觸發(fā)中斷，若中斷未在超時內(nèi)處理，將觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。

向量中斷控制器（VIC）

所有內(nèi)部和外部中斷都路由到VIC，由硬件確定中斷優(yōu)先級，并生成相應(yīng)的信號給處理器。VIC支持32個中斷源，可分為16個向量中斷和16個或更多默認(rèn)向量中斷。

重置、時鐘和電源控制器（RCPC）

RCPC允許用戶通過AMBA APB接口控制系統(tǒng)復(fù)位、時鐘、電源管理和外部中斷調(diào)節(jié)。它管理五種電源模式以最小化功耗，生成各種時鐘信號，包括系統(tǒng)時鐘、UART時鐘、RTC時鐘等，還能生成系統(tǒng)和RTC復(fù)位信號，配置外部中斷并轉(zhuǎn)換為VIC所需的高電平觸發(fā)中斷輸出。

電氣特性與應(yīng)用建議

電氣規(guī)格

芯片有明確的絕對最大額定值和推薦工作條件，如DC核心電源電壓、DC I/O電源電壓、DC模擬電源電壓等都有相應(yīng)的取值范圍。在不同溫度和電壓條件下，時鐘頻率和時鐘周期也有具體的要求。例如，在25°C時，不同的DC核心電源電壓對應(yīng)著不同的最大時鐘頻率。

應(yīng)用建議

在非常低的工作溫度下，為了提高芯片時鐘輸入的抗噪聲能力，NXP建議使用外部振蕩器而不是晶體來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘輸入。在電源供應(yīng)方面，使用外部1.8V電源時，必須先為其通電，再接通3.3V電源，否則兩者時間差不能超過10 μs，且在電源上升過程中，兩者電壓差需在1.5V以內(nèi)。此外，雖然芯片內(nèi)部有線性穩(wěn)壓器，但不建議使用其輸出為外部設(shè)備供電，以免影響調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性和引入噪聲。

總結(jié)

NXP的LH75401/LH75411系統(tǒng)級芯片以其高度集成、高性能、低功耗等特點，為電子工程師提供了一個強大而靈活的設(shè)計平臺。無論是在工業(yè)控制、消費電子還是其他領(lǐng)域，這兩款芯片都能發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。作為電子工程師，我們在設(shè)計過程中應(yīng)該充分了解芯片的各項特性和技術(shù)細節(jié)，合理應(yīng)用這些芯片，以實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)、更高效的電子設(shè)備設(shè)計。讀者朋友們，在你們的項目中有沒有使用過類似的芯片呢？有沒有遇到過一些獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。