AT91FR40161微控制器：嵌入式設計的理想之選

在嵌入式系統開發領域，選擇一款合適的微控制器至關重要。今天，我們就來深入探討Atmel公司的AT91FR40161微控制器，了解它的特性、架構、應用以及相關設計要點。

文件下載：AT91FR40161-CI.pdf

一、產品概述

AT91FR40161是Atmel AT91 16/32位微控制器家族的一員，基于ARM7TDMI處理器內核。它具有高性能的32位RISC架構和高密度的16位指令集，功耗極低。大量內部存儲的寄存器使得異常處理速度極快，非常適合實時控制應用。其八層優先級向量中斷控制器與外設數據控制器相結合，顯著提升了實時設備的性能。

該微控制器將超過1 Mbit的片上SRAM、豐富的外設功能和16 Mbits的Flash存儲器集成在一個緊湊的120球BGA封裝中，為許多計算密集型嵌入式控制應用提供了強大、靈活且經濟高效的解決方案，同時還能顯著減小電路板尺寸和降低系統成本。

二、特性亮點

處理器內核與架構

• ARM7TDMI內核：采用ARM7TDMI? ARM? Thumb?處理器內核，具備高性能32位RISC架構和高密度16位指令集，在MIPS/Watt方面表現出色，還集成了嵌入式ICE（在線仿真）功能。
• 雙總線架構：由高級系統總線（ASB）和高級外設總線（APB）組成。ASB用于ARM7TDMI處理器與片上32位存儲器、外部總線接口（EBI）和AMBA?橋的接口，以實現高性能；APB則用于訪問片上外設，優化了功耗。

存儲器配置

• SRAM：片內集成136 Kbytes的SRAM，直接連接到32位數據總線，單周期可訪問，使用處理器的ARM指令集在33 MHz時可實現30 MIPS的最大性能，降低了系統功耗。
• Flash存儲器：擁有1024K字的16位Flash存儲器（2M字節），支持單電壓讀寫，具有扇區擦除架構和擦除暫停功能，雙平面組織允許同時進行讀和編程/擦除操作，還具備數據輪詢、切換位和就緒/繁忙程序周期結束檢測等特性。此外，還集成了AT91 Flash Uploader軟件，方便程序應用軟件的上傳。
• 外部總線接口（EBI）：可編程的外部總線接口，支持最多八個片選信號，最大外部地址空間為64M字節，軟件可編程8/16位外部數據總線，采用早期讀取協議，可實現比標準存儲器接口更快的存儲器訪問。

外設功能

• 中斷控制器：8級優先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，包含四個外部中斷，其中一個為高優先級低延遲中斷請求。
• I/O端口：32個可編程I/O線，可靈活配置為各種外設的輸入輸出。
• 定時器/計數器：3通道16位定時器/計數器，每個通道有三個外部時鐘輸入和兩個多功能I/O引腳。
• USART：兩個USART，每個USART有兩個專用的外設數據控制器（PDC）通道，可實現高速同步或異步通信。
• 看門狗定時器：可編程看門狗定時器，可防止軟件陷入死鎖導致系統鎖定。
• 電源管理：具備先進的節能特性，CPU和外設可單獨停用，支持0 Hz至33 MHz的內部頻率范圍（3.0V，85°C），工作電壓范圍為2.7V至3.6V，溫度范圍為 -40°C至85°C。

三、引腳配置與功能

AT91FR40161的引腳配置豐富，涵蓋了地址總線、數據總線、片選信號、時鐘信號、復位信號等多種功能引腳。每個引腳都有明確的功能定義，例如：

• 地址總線（A0 - A23）：用于傳輸地址信息，復位后有效，注意不要將A20重新編程為I/O，因為它是Flash地址的最高有效位。
• 數據總線（D0 - D15）：用于數據的輸入輸出。
• 片選信號（NCS0 - NCS3、CS4 - CS7）：用于選擇外部設備，有低電平有效和高電平有效之分。

詳細的引腳描述和功能說明在文檔的表格中進行了清晰的闡述，設計時需要根據具體的應用場景進行合理的引腳分配和連接。

四、工作模式與操作

電源供應與時鐘

• 電源：采用單一電源引腳(V_{DD})，為I/O焊盤和內核供電，支持2.7V至3.6V的電壓范圍。
• 時鐘：具有全靜態設計，主時鐘（MCK）由外部源通過MCKI引腳提供，MCKO引腳可輸出主時鐘信號，該引腳與通用I/O線復用，需要通過PIO控制器進行編程配置。

復位操作

• NRST引腳復位：NRST為低電平有效輸入，異步斷言，但退出復位時與MCK內部同步。為確保正確操作，MCKI上的信號在NRST上升沿之前至少10個時鐘周期內必須有效，處理器在NRST上升沿后80個時鐘周期進行首次取指。
• 看門狗復位：看門狗可編程產生內部復位，效果與NRST引腳斷言相同，但不采樣BMS和NTRI引腳，不更新啟動模式和三態模式。若NRST引腳被斷言且看門狗觸發內部復位，NRST引腳具有優先級。

仿真功能

• 三態模式：用于調試，可在不拆卸目標板上的器件的情況下連接仿真探頭。進入三態模式時，AT91R40807微控制器的所有輸出引腳驅動禁用，可通過外部引腳直接訪問Flash，便于在板安裝前使用標準閃存編程器進行生產閃存編程。進入該模式需在NRST上升沿前的最后十個時鐘周期將NTRI引腳保持低電平，正常操作時需通過高達400 kΩ的電阻將NTRI引腳在復位期間保持高電平。
• JTAG/ICE調試：支持ARM標準嵌入式在線仿真，TDI、TDO、TCK和TMS引腳專門用于此調試功能，可通過外部ICE接口連接到主機計算機。在ICE調試模式下，ARM7TDMI內核會響應一個非JTAG芯片ID來識別微控制器，但不完全符合IEEE1149.1標準。

內存控制與啟動模式

• 內存控制器：ARM7TDMI處理器地址空間為4 Gbytes，內存控制器對內部32位地址總線進行解碼，定義了三個地址空間：最低的四兆字節為內部存儲器，中間為EBI控制的外部設備（存儲器或外設）預留空間，最高的四兆字節為內部外設空間。ARM7TDMI僅在小端模式下運行。
• 啟動模式選擇：ARM復位向量位于地址0x0，NRST線釋放后，ARM7TDMI執行該地址存儲的指令。BMS引腳在NRST上升沿前的最后10個時鐘周期的輸入電平決定了啟動存儲器的類型，高電平選擇內部32位擴展SRAM，低電平選擇NCS0上的外部16位存儲器。若要使用嵌入式Flash存儲器作為啟動存儲器，需將BMS輸入外部拉低，并將NCS0外部連接到NCSF。
• 重映射命令：ARM向量（復位、中止、數據中止、預取中止、未定義指令、中斷、快速中斷）從地址0x0映射到地址0x20。通過重映射命令可在啟動存儲器和內部主SRAM存儲體地址之間切換，該命令可通過EBI用戶界面寫入EBI_RCR（重映射控制寄存器）的RCB來實現。若需要訪問其他外部設備（連接到片選1至7），則必須執行重映射命令，且重映射操作只能通過內部復位或NRST斷言來恢復。

外部總線接口與Flash操作

• 外部總線接口（EBI）：處理地址0x0040 0000至0xFFC0 0000之間的訪問，可生成控制外部設備訪問的信號，可配置為八個1兆字節的存儲體至四個16兆字節的存儲體，支持字節、半字和字對齊訪問。用戶可對每個存儲體的等待狀態數、數據浮動時間、數據總線寬度等進行編程，還具有早期讀取協議，可顯著減少外部設備在單時鐘周期訪問時的訪問時間要求。
• Flash存儲器：2 Mbyte的Flash存儲器組織為1,048,576個16位字，通過EBI進行尋址，使用地址線A1 - A20。除Flash存儲器使能信號外，地址、數據和控制信號在內部互連。用戶需將Flash存儲器使能（NCSF）連接到EBI上的一個低電平有效片選信號，若Flash存儲器用作啟動存儲器，則必須使用NCS0，且BMS輸入必須外部拉低。啟動時，EBI需配置正確數量的標準等待狀態。Flash存儲器具有數據輪詢、開放漏極NBUSY輸出引腳和切換位功能，可檢測程序或擦除周期的結束。它分為兩個存儲平面，可在一個平面進行程序或擦除操作時從另一個平面進行讀取。此外，它還被劃分為39個扇區，具有擦除暫停功能，可保護任何扇區的數據，還提供可選的VPP引腳以提高程序/擦除時間。

AT91 Flash Uploader軟件

所有基于Flash的AT91設備都預裝了AT91 Flash Uploader軟件，該軟件位于嵌入式Flash的第一個扇區，允許通過串口對嵌入式Flash進行編程，可使用片上的任意一個USART。操作時，需要將嵌入式Flash用作AT91FR40161的啟動存儲器，并向MCKI提供有效時鐘。復位后，Flash Uploader會立即將自身復制到內部SRAM并跳轉執行，后續操作僅使用該內存資源，外部訪問僅用于對嵌入式Flash進行編程。編程系統通過專有協議發送命令和數據，最后一步需由編程系統擦除并編程Flash的第一個扇區，以降低Flash Uploader被擦除且電源關閉的風險。

外設操作

• 外設寄存器：AT91FR40161的外設連接到32位寬的高級外設總線，外設寄存器僅支持字訪問，字節和半字訪問將被自動屏蔽最低地址位并生成字訪問。每個外設都有16 Kbyte的地址空間（AIC僅有4 Kbyte），常見的外設寄存器包括控制寄存器（寫唯一寄存器，寫入1觸發命令）、模式寄存器（定義外設配置）、數據寄存器（用于處理器與外設之間的數據交換）、狀態寄存器（返回外設狀態）和啟用/禁用/狀態寄存器（用于外設中斷源的啟用和禁用）。
• 外設中斷控制：每個外設的中斷控制通過狀態寄存器使用中斷掩碼進行控制，狀態寄存器位與相應的中斷掩碼位進行與運算，結果進行或運算以生成中斷源信號發送到高級中斷控制器。中斷掩碼可在中斷掩碼寄存器中讀取，并通過中斷使能寄存器和中斷禁用寄存器進行修改，可使用不可中斷的單條指令啟用或禁用外設中斷源，避免了在AIC或內核級別進行中斷屏蔽。
• 外設數據控制器（PDC）：AT91FR40161有4個通道的PDC，專門用于兩個片上USART。每個USART的接收器和發送器各有一個PDC通道，PDC通道的用戶界面集成在每個USART的內存空間中，包含32位地址指針寄存器（RPR或TPR）和16位傳輸計數器寄存器（RCR或TCR）。當執行完編程的傳輸次數后，USART狀態寄存器中的傳輸結束狀態位將被設置，并可生成中斷。

五、系統與用戶外設

系統外設

• 電源管理（PS）：優化功耗，可使軟件停止ARM7TDMI時鐘（空閑模式），并在模塊接收到中斷（或復位）時重新啟動。還可單獨啟用和禁用片上外設時鐘，以匹配功耗和應用需求。
• 高級中斷控制器（AIC）：具有8級優先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，驅動ARM7TDMI的NIRQ和NFIQ引腳，可處理外部快速中斷線（FIQ）和片上外設的中斷信號。具有廣泛的可編程性和向量特性，可減少實時中斷處理的開銷，還具有偽向量檢測功能和保護模式，便于調試。
• 并行I/O控制器（PIO）：擁有32個可編程I/O線，其中六個引腳作為通用I/O引腳，其他I/O線與外設的外部信號復用，以優化封裝引腳的使用。可在輸入變化時生成中斷，并在任何PIO引腳插入簡單的輸入毛刺濾波器。
• 看門狗（WD）：基于16位計數器構建，用于防止軟件陷入死鎖導致系統鎖定，可生成內部復位或中斷，或在專用引腳NWDOVF上斷言有效電平。所有編程寄存器都受密碼保護，以防止意外編程。
• 特殊功能（SF）：提供實現芯片識別、復位狀態和保護模式等特殊功能的寄存器。

用戶外設

• USART：提供兩個相同的全雙工通用同步/異步接收器/發送器，每個USART有自己的波特率發生器和兩個專用的外設數據控制器通道。數據格式包括起始位、最多8個數據位、可選的可編程奇偶校驗位和最多2個停止位，還具有接收器超時寄存器和時間保護寄存器，便于與PDC配合工作和與慢速遠程設備接口。
• 定時器/計數器（TC）：包含三個相同的16位定時器/計數器通道，每個通道可獨立編程，執行頻率測量、事件計數、間隔測量、脈沖生成、延遲定時和脈沖寬度調制等多種功能。可在捕獲或波形模式下使用，三個計數器通道可同時啟動并鏈接在一起。

六、訂購與封裝信息

訂購信息

AT91FR40161的訂購代碼為AT91FR40161 - CI，采用BGA 120封裝，適用于工業溫度范圍（ -40°C至85°C）。

封裝信息

該微控制器采用120球球柵陣列（BGA）封裝，文檔中提供了詳細的封裝圖紙和相關尺寸信息，包括球直徑、球焊盤、阻焊層開口、鍍覆材料、焊球材料、濕度敏感度等級等。同時，還給出了熱阻數據、最大重量以及推薦的焊接曲線，設計時需要嚴格按照這些參數進行電路板設計和焊接操作，以確保器件的性能和可靠性。

七、總結與思考

AT91FR40161微控制器憑借其強大的處理器內核、豐富的存儲器配置、多樣的外設功能以及靈活的操作模式，為嵌入式系統設計提供了一個全面而強大的解決方案。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的項目需求，合理配置引腳、選擇合適的啟動模式、優化外設使用，以充分發揮該微控制器的性能優勢。同時，對于調試和編程功能的掌握，也有助于提高開發效率和產品的穩定性。

大家在使用AT91FR40161微控制器時，是否遇到過一些獨特的問題或有一些巧妙的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。