恩智浦推出了基于32位ARM Cortex-M0處理器內核的LPC1100系列微控制器。該處理器是ARM公司Cortex-M系列尺寸最小的一款，具有32位架構性能、低功耗和超小封裝等優點。LPC1100是恩智浦半導體大獲成功的LPC1000微控制器系列的最新產品(參見圖1)，主要針對目前8/16位微控制器占主流的低成本應用的市場。

　　圖1: 恩智浦Cortex-Mx微控制器系列

　　LPC1100完全具有圍繞LPC1300和LPC1700微控制器(均采用Cortex-M3內核)建立的生態系統優勢。從諸如UART、I2C和SPI等標準接口到高端的CAN和USB，LPC1100外設種類齊全。LPC1000生態系統包括多家供應商提供的編譯器和調試工具、各種操作系統和軟件。由于LPC1100系列微控制器Cortex-M0能夠向上兼容M3內核，因此能夠實現開發共享。

　　本文將針對過去8/16位微控制器的幾個薄弱應用環節，重點介紹LPC1100的優勢。此外，還將涉及LPC1100如何解決成本、功耗和代碼大小等難題，以及如何提高傳統8/16位微控制器應用領域的系統效率。

　　節能

　　對于門、窗或照明控制等家庭自動化應用領域，主要采用傳感器連接到家庭自動化系統內部總線，這些總線和傳感器從專用直流電路獲取電流，大部分時間都處于工作模式。LPC1100在工作模式下出色的低功耗特點為此類應用提供了理想選擇。

　　圖2是一個從閃存執行代碼并在RAM里操作動態數據的典型應用示例，顯示了LPC1100在正常工作模式下幾個內部系統模塊的功耗情況。

　　圖2: 20MHz內核頻率的各模塊耗電量

　　在電流消耗總量中，Cortex-M0內核和內部存儲系統所占比重最大。盡管Cortex-M0內核的處理能力超強，但是采用該內核的LPC1100在無限循環運行時的平均耗電量僅為150μA/MHz左右。

　　圖3 正常工作模式下，從閃存執行代碼的耗電量

　　預計在推出低功耗(LP)LPC1100新產品后，現有的LPC1100微控制器低功耗表現會得到進一步提升。工作模式耗電量有望降至130uA/MHz左右。

　　此外，由于M0內核采用32位架構，因此電流利用效率要高于8/16位架構。對于執行相同的計算任務，M0內核的實際運行速度可比8/16位微控制器低2-4倍，因此功耗要遠低于8/16位微控制器。

　　對于“深度睡眠”或“深度掉電”模式，Cortex-M0內核的強大處理能力同樣有用武之地，與8/16位架構相比，32位架構執行任務的時間更短，因此微控制器更多時間會處于低功耗模式運行。新型LP系列產品將大幅減少深度睡眠模式(2uA)和深度掉電模式(220nA)耗電量。

　　運算能力

　　LPC1100非常適合同時處理微控制器(MCU)基本任務和各種操作數(8位、16位或更高位)運算。嵌入快速的32位Cortex-M0內核(最大頻率50MHz)并保持微控制器操作和編程靈活性(Cortex-M0 內核可以完全采用C語言)是代替16位混合系統的最好解決方案。

　　Cortex-M0微控制器可以輕松超越高端8/16位單片機。Cortex-M0內核的額定處理能力高達0.8DMIPS/MHz，是高端8 /16位單片機的2-4倍。由于DMIPS和MIPS有時并不能準確反映用戶器件性能，因此圖4根據一些通用的測試基準程序給出了各器件的相對性能。大多數常用Cortex-M0 Thumb2指令為單周期指令，所有8位、16位和32位數據傳輸在一個指令周期內完成。在8位和16位單片機中處理長字乘法運算通常要花很長時間，但由于Cortex-M0內核是32位架構，恩智浦在LPC1100中采用了32x32位硬件乘法器，通過MULS指令，成功地在一個指令周期內完成了兩個32位字的乘法運算。

　　圖4 Cortex-M0相對性能

　　除法運算可通過軟件完成，Cortex-M0對于各種操作數除法運算有同樣出色的表現。

　　對于具體的應用，復雜的計算通常會涉及多次加法、乘法和除法。圖5顯示了一個復雜計算的執行時間，其執行條件是從閃存執行代碼，采用浮點操作數共進行5次乘法、5次加法和1次除法計算。對于浮點運算，C語言代碼可通過一個特定的Cortex-M0數學庫函數做優化。

　　圖5: 浮點運算時間實例

　　從數學庫向RAM重新優化一些重要的函數可以進一步提升性能。應該在RAM中調用這些庫函數，這樣可避免從ROM頁到RAM頁的分配過程出現長分支，以縮短執行時間。

　　中斷處理

　　微控制器的性能不僅要看執行速度，中斷處理也一個重要方面。中斷性能一般通過延遲時間和抖動(jitter)體現。延遲是指從中斷事件產生到進入中斷服務程序的時間，抖動用以描述延遲的變化。

　　Cortex-M0通過將中斷控制器和內核緊密耦合，最大程度縮短了延遲時間。最高優先級中斷延遲時間固定為16個時鐘周期。中斷控制器最多可支持32個不同的中斷源，包含一個非屏蔽中斷輸入。LPC1100對各種中斷事件提供了專用中斷向量，任何中斷都會自動分配一個專用中斷服務程序(ISR, Interupt Service Routine)，無須軟件處理。

　　為了縮短嵌套中斷的延遲時間，LPC1100采用了一種集成機制，如果高優先級中斷在低優先級中斷進入服務程序前到達，可避免重新堆棧。此外，LPC1100還支持尾鏈功能(tail chaining)，通過疊合異常出棧順序以及隨后出現的異常進棧順序可直接進入ISR，縮短延遲時間。

　　系統成本

　　影響系統總成本有幾個方面的因素，對于小型系統，內核和內存所占比重最大。

　　內核尺寸：Cortex-M0內核專門針對低成本應用開發，主要面向以往的8/16位小型微控制器架構市場。Cortex-M0內核的尺寸僅為Cortex-M3的1/4，參見圖6。對于外設較少、Flash空間有限的小型系統，較小的內核可以減少芯片的整體尺寸。Cortex-M0邏輯門數量達到了最經典的8位內核水平，卻帶來了更出色的處理能力，并為更強大的Cortex-M系列處理器提供向上兼容性。

　　圖6 Cortex-M0內核尺寸

　　閃存占用量小：儲存應用程序代碼所需的閃存尺寸是影響系統總成本的另一個重要因素。考慮到32位指令比8位指令性能更強，并且能一次代替多條8位指令，因此可以假設應用代碼尺寸基本相同(不包括常數表)。不過，通過輸入LPC1100的8位代碼的實際測試結果看，應用代碼尺寸要小很多，甚至可以達到50%以下。

　　ARM Cortex-M0執行Thumb指令集，包括少量使用Thumb-2技術的32位指令，參見圖7。Thumb指令集是ARM Cortex-M3和ARM Cortex-M4支持的指令集的子集，并與之二進制編碼向上兼容。

　　將ARM7TDMI的16位Thumb指令和部分Thumb-2功能強大的32位指令結合在一起使用，可以提高代碼密度。編譯器會選擇是使用16位還是32位指令，最終代碼中兩者可以完全共存。運行期間系統能夠實現16位和32位代碼無縫切換，無需像在使用ARM7TDMI時那樣，需要專用指令。下表是一張Cortex-M0完整的指令集。

　　圖7：Cortex M0指令集

　　總體來看，LPC1100在低成本MCU市場具有很強的競爭力，其出色的靈活性和強大的性能將成為8位和16位架構占統治地位的各應用領域最有力的競爭對手。LPC1100支持超小封裝(16引腳CSP，2.5 x 2.5mm)以及易于操作的HVQFN和LQFP封裝。該系列所有產品均支持UART、I2C和SPI等常見外設，并可在LPC1000系列其他產品上復用這些外設的驅動。此外，LPC1100還支持USB和CAN等高端外設，其驅動代碼內嵌在ROM掩膜中， 因此Flash閃存可完全用于用戶自己的應用程序。