AT91R40807 微控制器：高性能嵌入式控制的理想之選

在嵌入式控制領(lǐng)域，一款性能卓越、功能豐富的微控制器對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下 Atmel 公司的 AT91R40807 微控制器，看看它有哪些獨特的魅力。

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芯片特性

強大的處理器核心

AT91R40807 采用了 ARM7TDMI? ARM Thumb 處理器核心，具備高性能 32 位 RISC 架構(gòu)和高密度 16 位指令集。這種架構(gòu)不僅提供了出色的處理能力，還在 MIPS/Watt 方面表現(xiàn)領(lǐng)先，意味著它能以較低的功耗實現(xiàn)較高的性能。同時，嵌入式 ICE（In - circuit Emulation）功能為開發(fā)人員提供了便捷的調(diào)試手段。

豐富的片上資源

1. 大容量 SRAM：擁有 136K 字節(jié)的片上 SRAM，通過 32 位數(shù)據(jù)總線連接，支持單時鐘周期訪問，能夠有效提高數(shù)據(jù)處理速度，降低系統(tǒng)功耗。
2. 靈活的外部總線接口：完全可編程的外部總線接口（EBI），最大外部地址空間可達 64M 字節(jié)，最多支持 8 個片選信號。軟件可編程的 8/16 位外部數(shù)據(jù)總線，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行靈活配置。
3. 高效的中斷控制器：8 級優(yōu)先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，包含 4 個外部中斷，其中一個為高優(yōu)先級低延遲中斷請求，可顯著提升系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力。
4. 多功能 I/O 接口：32 個可編程 I/O 線，3 通道 16 位定時器/計數(shù)器，每個通道有 3 個外部時鐘輸入和 2 個多功能 I/O 引腳，可滿足各種復(fù)雜的控制需求。
5. 雙 USART 通信：2 個 USART 接口，每個 USART 配備 2 個專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道，可實現(xiàn)高速、穩(wěn)定的串行通信。
6. 可編程看門狗定時器：能夠防止軟件陷入死鎖導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. 先進的節(jié)能特性：CPU 和外設(shè)可以單獨停用，支持 0 Hz 到 33 MHz 的內(nèi)部頻率范圍（3.0V，85°C），工作電壓范圍為 1.8V 到 3.6V，工作溫度范圍為 - 40°C 到 +85°C，適用于各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

結(jié)構(gòu)架構(gòu)

總線架構(gòu)

AT91R40807 微控制器的架構(gòu)由兩條主要總線組成，即高級系統(tǒng)總線（ASB）和高級外設(shè)總線（APB）。ASB 負責(zé)將 ARM7TDMI 處理器與片上 32 位存儲器、外部總線接口（EBI）和 AMBA? 橋連接起來，以實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)傳輸。AMBA 橋驅(qū)動 APB，APB 主要用于訪問片上外設(shè)，并且針對低功耗進行了優(yōu)化。

存儲器系統(tǒng)

1. 內(nèi)部 SRAM：集成了 136K 字節(jié)的內(nèi)部 SRAM，直接連接到 32 位數(shù)據(jù)總線，單周期可訪問。通過使用處理器的 ARM 指令集，在 40 MHz 時可提供高達 36 MIPS 的性能，有效降低了系統(tǒng)功耗。
2. 外部總線接口（EBI）：支持連接外部存儲器和特定應(yīng)用外設(shè)，支持 8 位或 16 位設(shè)備，還能使用兩個 8 位設(shè)備模擬一個 16 位設(shè)備。EBI 實現(xiàn)了早期讀取協(xié)議，比標準內(nèi)存接口具有更快的內(nèi)存訪問速度。

外設(shè)系統(tǒng)

1. 系統(tǒng)外設(shè)
   • 外部總線接口（EBI）：通過 8 位或 16 位數(shù)據(jù)總線控制外部存儲器或外設(shè)設(shè)備，每個片選線都有自己的編程寄存器。
   • 節(jié)能模塊（PS）：實現(xiàn)空閑模式（ARM7TDMI 核心時鐘停止，直到下一個中斷），允許用戶根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整微控制器的功耗。
   • 高級中斷控制器（AIC）：控制來自內(nèi)部外設(shè)和四個外部中斷線（包括 FIQ）的內(nèi)部中斷源，提供中斷和/或快速中斷請求給 ARM7TDMI，集成 8 級優(yōu)先級控制器，通過自動向量功能減少中斷延遲時間。
   • 并行輸入/輸出控制器（PIO）：控制多達 32 個 I/O 線，用戶可以選擇特定引腳用于片上外設(shè)輸入/輸出功能或通用輸入/輸出信號引腳，還能編程檢測每個線的信號變化中斷。
   • 看門狗（WD）：基于 16 位計數(shù)器，可防止軟件死鎖導(dǎo)致的系統(tǒng)鎖定，可生成內(nèi)部復(fù)位或中斷，或在專用引腳 NWDOVF 上輸出有效電平。
   • 特殊功能模塊（SF）：集成芯片 ID、復(fù)位狀態(tài)和保護寄存器。
   • USART：兩個獨立可配置的 USART，支持同步或異步模式的高速通信，數(shù)據(jù)格式包括起始位、停止位、奇偶校驗位和最多 8 位數(shù)據(jù)位，每個 USART 還具有超時和時間保護寄存器，方便使用兩個專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道。
   • 定時器計數(shù)器（TC）：3 通道 16 位定時器計數(shù)器，高度可編程，支持捕獲或波形模式，每個通道可測量或生成不同類型的波形，并能檢測和控制兩個輸入/輸出信號，還具有三個外部時鐘信號。
2. 用戶外設(shè)
   • USART：提供兩個相同的全雙工通用同步/異步收發(fā)器，每個 USART 有自己的波特率發(fā)生器和兩個專用的 PDC 通道。
   • TC：定時器計數(shù)器模塊包含三個相同的 16 位定時器計數(shù)器通道，可獨立編程實現(xiàn)頻率測量、事件計數(shù)、間隔測量、脈沖生成、延遲定時和脈沖寬度調(diào)制等多種功能。

引腳配置與使用

AT91R40807 采用 100 引腳 TQFP 封裝，其引腳具有多種功能。詳細的引腳描述包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選信號、讀寫信號、中斷信號、時鐘信號等。在使用時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求對引腳進行合理配置。例如，在復(fù)位后，外設(shè) I/O 初始化為輸入，以提供最大的靈活性。同時，為了降低功耗，建議在任何應(yīng)用階段將輸入保持在有效的邏輯電平。

工作模式與控制

電源與時鐘

AT91R40807 的電源由 VDD 引腳提供，支持 1.8V 到 3.6V 的電壓范圍。主時鐘（MCK）由外部源通過 MCKI 引腳提供，同時 MCK 也可以通過 MCKO 引腳輸出，該引腳與通用 I/O 線復(fù)用。復(fù)位期間，MCKO 保持低電平，復(fù)位后輸出 MCK 信號的鏡像。

復(fù)位操作

復(fù)位操作可恢復(fù)用戶接口寄存器的默認狀態(tài)，并強制 ARM7TDMI 從地址零開始執(zhí)行下一條指令。NRST 引腳為低電平有效輸入，異步斷言，但退出復(fù)位時會與 MCK 同步。看門狗也可以編程生成內(nèi)部復(fù)位，但與 NRST 引腳斷言有所不同。

三態(tài)模式

AT91R40807 提供三態(tài)模式，用于調(diào)試目的。在三態(tài)模式下，所有輸出引腳驅(qū)動器被禁用，方便連接仿真探頭而無需從目標板上拆卸設(shè)備。進入三態(tài)模式時，NTRI 引腳必須在 NRST 上升沿前的最后 10 個時鐘周期內(nèi)保持低電平。

JTAG/ICE 調(diào)試

通過 JTAG/ICE 端口支持 ARM 標準嵌入式在線仿真。TDI、TDO、TCK 和 TMS 引腳專門用于此調(diào)試功能，可通過外部 ICE 接口連接到主機計算機。

內(nèi)存管理

內(nèi)存控制器

ARM7TDMI 處理器的地址空間為 4G 字節(jié)，內(nèi)存控制器對內(nèi)部 32 位地址總線進行解碼，定義了三個地址空間：內(nèi)部存儲器（最低 4 兆字節(jié)）、由 EBI 控制的外部設(shè)備（中間空間）和內(nèi)部外設(shè)（最高 4 兆字節(jié)）。在這些地址空間中，ARM7TDMI 僅以小端模式運行。

內(nèi)部存儲器

1. 主 SRAM：集成 8K 字節(jié)的主內(nèi)部 SRAM，所有內(nèi)部存儲器寬度為 32 位，支持單時鐘周期訪問，支持字節(jié)、半字或字訪問。主 SRAM 映射在地址 0x0（重映射命令后），允許軟件修改 ARM7TDMI 異常向量。
2. 擴展 SRAM：在地址 0x0010 0000 處集成 128K 字節(jié)的擴展 SRAM，提高了微控制器的性能并降低了系統(tǒng)功耗。該 SRAM 可用于動態(tài)更新應(yīng)用程序軟件，還可在批量生產(chǎn)前驗證存儲在片上 ROM 中的代碼。
3. ROM 版本：AT91R40807 的 ROM 版本（AT91M40807）在地址 0x0010 0000 處集成 128K 字節(jié)的內(nèi)部 ROM，為軟件穩(wěn)定的高批量應(yīng)用提供了低成本選擇。

引導(dǎo)模式選擇

ARM 復(fù)位向量位于地址 0x0，NRST 線釋放后，ARM7TDMI 執(zhí)行該地址存儲的指令。BMS 引腳在 NRST 上升沿前的最后 10 個時鐘周期內(nèi)的輸入電平?jīng)Q定了引導(dǎo)內(nèi)存的類型。AT91R40807 支持在片上擴展 SRAM 中引導(dǎo)，用于模擬 ROM 版本。

重映射命令

AT91R40807 微控制器使用重映射命令允許軟件動態(tài)重新定義 ARM 向量。重映射命令通過 EBI 用戶接口訪問，執(zhí)行重映射命令對于訪問其他外部設(shè)備是必需的，重映射操作只能通過內(nèi)部復(fù)位或 NRST 斷言進行更改。

中止控制

當訪問 EBI 地址空間中的未定義地址時，會向 ARM7TDMI 發(fā)出數(shù)據(jù)中止或預(yù)取中止異常的中止信號。訪問內(nèi)部存儲器或內(nèi)部外設(shè)時，無論地址是否定義，都不會產(chǎn)生中止。

外設(shè)寄存器與控制

外設(shè)寄存器

AT91R40807 的外設(shè)寄存器僅支持字訪問，每個外設(shè)都有 16K 字節(jié)的地址空間（AIC 只有 4K 字節(jié)）。常見的寄存器包括控制寄存器、模式寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和使能/禁用/狀態(tài)寄存器。

外設(shè)中斷控制

每個外設(shè)的中斷控制通過狀態(tài)寄存器使用中斷掩碼進行控制。狀態(tài)寄存器位與相應(yīng)的中斷掩碼位進行與運算，結(jié)果再進行或運算以生成中斷源信號到高級中斷控制器。

外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）

AT91R40807 有 4 個通道的 PDC 專門用于兩個片上 USART。每個 USART 的接收器和發(fā)送器各有一個 PDC 通道。PDC 通道的用戶接口集成在每個 USART 的內(nèi)存空間中，包含 32 位地址指針寄存器和 16 位傳輸計數(shù)器寄存器。

訂購與封裝信息

訂購信息

AT91R40807 有特定的訂購代碼，如 AT91R40807 - 33AI，采用 TQFP 100 封裝，適用于工業(yè)溫度范圍（-40 °C 到 85 °C）。

封裝信息

采用 100 引腳薄型四方扁平封裝（TQFP），文檔中提供了詳細的封裝尺寸和公差信息。同時，還給出了推薦的焊接曲線，包括平均升溫速率、預(yù)熱溫度、高于 183 °C 的保持時間、實際峰值溫度附近的時間、峰值溫度范圍、降溫速率等參數(shù)。需要注意的是，小封裝在與較大組件一起回流焊接時可能需要承受更高的溫度，并且每個組件最多允許三次回流焊接。

AT91R40807 微控制器憑借其強大的處理器核心、豐富的片上資源、靈活的架構(gòu)和多樣的工作模式，為嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高性能、低功耗、高可靠性的解決方案。無論是在工業(yè)控制、通信設(shè)備還是其他領(lǐng)域，它都能發(fā)揮出色的作用。各位工程師在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求充分利用其特性，實現(xiàn)更加高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。你在使用類似微控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。