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

在嵌入式系統設計領域，選擇一款合適的微控制器至關重要。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 架構的微控制器，專為嵌入式應用而設計。它集成了 ARM Cortex - M0 協處理器，擁有高達 264 kB 的 SRAM，具備 AES 引擎等安全特性，以及一系列先進的可配置外設。該系列微控制器的 CPU 頻率最高可達 204 MHz，能滿足多種復雜應用的需求。

二、核心特性

（一）處理器核心

1. ARM Cortex - M4 處理器
   • 運行頻率最高可達 204 MHz，內置支持八個區域的內存保護單元（MPU），以及嵌套向量中斷控制器（NVIC）。
   • 集成硬件浮點單元，支持單周期數字信號處理和 SIMD 指令，具備非屏蔽中斷（NMI）輸入。
   • 支持 JTAG 和串行線調試（SWD）、串行跟蹤、八個斷點和四個觀察點，還具備增強跟蹤模塊（ETM）和增強跟蹤緩沖區（ETB）支持，以及系統滴答定時器。
2. ARM Cortex - M0 協處理器
   • 能夠分擔主 ARM Cortex - M4 應用處理器的工作負載，運行頻率同樣可達 204 MHz。
   • 內置 NVIC，擁有 32 個向量中斷。

（二）片上內存

• 提供高達 264 kB 的 SRAM 用于代碼和數據存儲，多個 SRAM 塊具有獨立的總線訪問功能，其中兩個 SRAM 塊可單獨掉電。
• 64 kB 的 ROM 包含引導代碼和片上軟件驅動，還有 64 位通用一次性可編程（OTP）內存和兩個用于 AES 密鑰存儲的 256 位 OTP 內存庫。

（三）時鐘生成單元

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

（四）可配置數字外設

1. 串行 GPIO（SGPIO）接口
   • 每個 SGPIO 輸入/輸出切片可進行串行到并行或并行到串行的數據轉換，16 個 SGPIO 輸入/輸出切片各有一個 32 位 FIFO，可在每個移位時鐘周期對引腳的輸入值或輸出值進行移位。
   • 每個切片采用雙緩沖，在 FIFO 滿、移位時鐘或模式匹配時會產生中斷，切片還可串聯以增加緩沖區大小，且每個切片都有 32 位模式匹配過濾器。
2. 狀態可配置定時器（SCTimer/PWM）子系統
   • 可配置為兩個 16 位計數器或一個統一的 32 位計數器，支持多種定時、計數、輸出調制和輸入捕獲操作。
   • 具備狀態變量、限制、暫停、停止和啟動條件等獨立操作元素，以及時鐘選擇、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 位數據傳輸，速率最高可達 52 MB 每秒，可與低成本串行閃存存儲器連接，且支持 DMA 訪問。
2. 10/100T 以太網 MAC
   • 具備 RMII 和 MII 接口以及 DMA 支持，支持 IEEE 1588 時間戳/高級時間戳（IEEE 1588 - 2008 v2），可實現高速數據傳輸和精確時間同步。
3. USB 接口
   • 一個高速 USB 2.0 主機/設備/OTG 接口（USB0），具備 DMA 支持和片上高速 PHY；一個高速 USB 2.0 主機/設備接口（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，ROM USB 堆棧中包含 USB 接口電氣測試軟件。
4. UART 和 USART
   • 四個 550 UART 具備 DMA 支持，其中一個 UART 帶有完整調制解調器接口，一個 UART 帶有 IrDA 接口，三個 USART 支持 UART 同步模式和符合 ISO7816 規范的智能卡接口。
5. 其他接口
   • 兩個 SSP 控制器具備 FIFO 和多協議支持，且都有 DMA 支持；一個 SPI 控制器；一個快速模式 Plus I2C - 總線接口和一個標準 I2C - 總線接口；兩個 I2S 接口，每個都有 DMA 支持，且各有一個輸入和一個輸出。

（六）數字外設

1. 外部內存控制器（EMC）
   • 支持外部 SRAM、ROM、NOR 閃存和 SDRAM 設備，具有動態內存接口支持、異步靜態內存設備支持、低事務延遲、讀寫緩沖區等特點，可提供 8/16/32 位數據和 24 位地址線的靜態內存支持，以及 16 位和 32 位寬的芯片選擇 SDRAM 內存支持。
2. LCD 控制器
   • 具備 DMA 支持，可編程顯示分辨率最高可達 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 內存（SD 版本 3.0）、Secure Digital I/O（SDIO 版本 2.0）、消費電子高級傳輸架構（CE - ATA 版本 1.1）和多媒體卡（MMC 版本 4.4）。
4. 通用 DMA 控制器
   • 可進行外設到內存、內存到外設、外設到外設和內存到內存的事務，有八個 DMA 通道，支持單 DMA 和突發 DMA 請求信號，支持分散或聚集 DMA，具備硬件 DMA 通道優先級等特性。

（七）模擬外設

1. 10 位 DAC
   • 具備 DMA 支持，數據轉換速率為 400 kSamples/s，具有 10 位分辨率、單調設計、可控轉換速度和低功耗等特點。
2. 兩個 10 位 ADC
   • 具備 DMA 支持，數據轉換速率為 400 kSamples/s，每個 ADC 最多有八個輸入通道。

（八）電源管理

• 采用單 3.3 V（2.2 V 至 3.6 V）電源供電，片上內部電壓調節器為核心供電和 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。可通過各種外設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生的中斷從深度睡眠、掉電和深度掉電模式喚醒。同時具備欠壓檢測功能，有四個獨立的閾值用于中斷和強制復位，以及上電復位（POR）。

三、應用領域

LPC43S50/S30/S20 適用于多種應用場景，包括通信集線器、汽車售后市場、電源管理、消費健康設備、嵌入式音頻應用、工業控制、工業自動化和白色家電等。

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、USB 功能、ADC 通道、QEI、GPIO 數量等方面存在差異，工程師可根據具體需求進行選擇。

五、功能描述

（一）架構概述

ARM Cortex - M4 包含系統總線、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備連接到外設，優化了性能。同時，ARM Cortex - M0 協處理器可分擔主處理器的工作，大多數外設中斷連接到兩個處理器，它們通過處理器間通信協議進行通信。

（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，具有獨立的本地指令和數據總線以及用于外設的第三條總線，內部預取單元支持推測分支。支持單周期數字信號處理和 SIMD 指令，集成硬件浮點處理器，包含最多 53 個中斷的 NVIC。
2. ARM Cortex - M0 協處理器
   • 是通用的 32 位微處理器，采用 3 級流水線馮 - 諾伊曼架構和小型但強大的指令集，具備 32 個中斷的 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 上引發中斷來進行通信。

（四）其他功能單元

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

（五）內存映射

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

（六）一次性可編程（OTP）內存

提供 64 位通用一次性可編程內存，256 位 OTP 內存可用于存儲兩個 AES 密鑰，其中一個庫是加密的。

（七）通用輸入輸出（GPIO）

提供八個 GPIO 端口，每個端口最多有 31 個 GPIO 引腳，設備引腳可動態配置為輸入或輸出，GPIO 寄存器位于 AHB 上以實現最快的 I/O 時序，還具備位級設置和清除寄存器、方向控制等功能，最多可選擇八個 GPIO 引腳創建邊緣或電平敏感的 GPIO 中斷請求，還有兩個 GPIO 組中斷。

六、電氣特性

（一）限制值

對各種電源引腳的電壓、電流等參數有明確的限制，如 VDD(REG)(3V3) 調節器電源電壓范圍為 - 0.5 V 至 3.6 V，輸入電壓在不同條件下也有相應的限制，同時對靜電放電電壓等也有規定。

（二）熱特性

可通過公式 (T{j}=T{amb}+(P{D} × R{th(j - a)})) 計算芯片的平均結溫，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）靜態特性

對各種電源引腳的電壓、電流等靜態參數進行了詳細說明，如不同工作模式下的調節器電源電流、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范圍。

（四）動態特性

1. 喚醒時間
   • 從睡眠模式喚醒的時間為 3 × (T{cy(clk)}) 至 5 × (T{cy(clk)}) ns，從深度睡眠和掉電模式喚醒的時間為 12 至 51 μs，從深度掉電模式喚醒的時間為 250 μs。
2. 時鐘相關特性
   • 外部時鐘的頻率范圍為 1 至 25 MHz，時鐘周期時間、高電平和低電平時間等都有相應的要求。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時間、頻率等參數也有規定。
3. I/O 引腳特性
   • 不同類型的 I/O 引腳（標準 I/O 引腳、高速 I/O 引腳等）在上升時間、下降時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 接口等的動態特性也有詳細說明。

（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，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，差分線性誤差、積分非線性、偏移誤差、增益誤差等有相應的取值，負載電容和負載電阻也有規定，同時給出了建立時間。

七、應用信息

（一）LCD 面板信號使用

詳細說明了不同類型 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，也可連接外部時鐘，對時鐘信號的幅度和耦合電容有要求。

（四）PCB 布局指南

強調了晶體和 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，確保負載電容有共同的接地平面，避免高速或高驅動信號靠近 RTCX1/2 信號等。

（五）標準 I/O 引腳配置

標準 I/O 引腳有多種配置模式，默認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）復位引腳配置

復位引腳有相應的配置電路，具備 20 ns 的 RC 濾波器。

（七）USB 接口解決方案

介紹了 USB 設備作為總線供電設備和自供電設備的連接方式和注意事項，對于自供電設備，當 VDDIO 可能為 0 V 時，需要采取措施保護 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。

LPC43S50/S30/S20 微控制器以其豐富的功能、高性能和低功耗等特點，為嵌入式系統設計提供了強大的支持。工程師在設計過程中，可根據具體應用需求，充分利用其各種特性，開發出更優秀的產品。同時，在使用過程中要嚴格遵循其電氣特性和應用指南，確保系統的穩定性和可靠性。你在使用這款微控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。