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(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下 Atmel 公司的 AT91R40807 微控制器，看看它有哪些獨(dú)特的魅力。

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芯片特性

強(qiáng)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(shí)現(xiàn)較高的性能。同時(shí)，嵌入式 ICE（In - circuit Emulation）功能為開(kāi)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(guò) 32 位數(shù)據(jù)總線連接，支持單時(shí)鐘周期訪問(wèn)，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(dá) 64M 字節(jié)，最多支持 8 個(gè)片選信號(hào)。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(jìn)行靈活配置。
3. 高效的中斷控制器：8 級(jí)優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，包含 4 個(gè)外部中斷，其中一個(gè)為高優(yōu)先級(jí)低延遲中斷請(qǐng)求，可顯著提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。
4. 多功能 I/O 接口：32 個(gè)可編程 I/O 線，3 通道 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)通道有 3 個(gè)外部時(shí)鐘輸入和 2 個(gè)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(gè) USART 接口，每個(gè) USART 配備 2 個(gè)專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道，可實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的串行通信。
6. 可編程看門(mén)狗定時(shí)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(jìn)的節(jié)能特性：CPU 和外設(shè)可以單獨(dú)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(jí)系統(tǒng)總線（ASB）和高級(jí)外設(shè)總線（APB）。ASB 負(fù)責(zé)將 ARM7TDMI 處理器與片上 32 位存儲(chǔ)器、外部總線接口（EBI）和 AMBA? 橋連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)傳輸。AMBA 橋驅(qū)動(dòng) APB，APB 主要用于訪問(wèn)片上外設(shè)，并且針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。

存儲(chǔ)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(wèn)。通過(guò)使用處理器的 ARM 指令集，在 40 MHz 時(shí)可提供高達(dá) 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(chǔ)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(gè) 8 位設(shè)備模擬一個(gè) 16 位設(shè)備。EBI 實(shí)現(xiàn)了早期讀取協(xié)議，比標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存接口具有更快的內(nèi)存訪問(wèn)速度。

外設(shè)系統(tǒng)

1. 系統(tǒng)外設(shè)
   • 外部總線接口（EBI）：通過(guò) 8 位或 16 位數(shù)據(jù)總線控制外部存儲(chǔ)器或外設(shè)設(shè)備，每個(gè)片選線都有自己的編程寄存器。
   • 節(jié)能模塊（PS）：實(shí)現(xiàn)空閑模式（ARM7TDMI 核心時(shí)鐘停止，直到下一個(gè)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(jí)中斷控制器（AIC）：控制來(lái)自內(nèi)部外設(shè)和四個(gè)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(qǐng)求給 ARM7TDMI，集成 8 級(jí)優(yōu)先級(jí)控制器，通過(guò)自動(dòng)向量功能減少中斷延遲時(shí)間。
   • 并行輸入/輸出控制器（PIO）：控制多達(dá) 32 個(gè) 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(hào)引腳，還能編程檢測(cè)每個(gè)線的信號(hào)變化中斷。
   • 看門(mén)狗（WD）：基于 16 位計(jì)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(hù)寄存器。
   • USART：兩個(gè)獨(dú)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(yàn)位和最多 8 位數(shù)據(jù)位，每個(gè) USART 還具有超時(shí)和時(shí)間保護(hù)寄存器，方便使用兩個(gè)專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道。
   • 定時(shí)器計(jì)數(shù)器（TC）：3 通道 16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器，高度可編程，支持捕獲或波形模式，每個(gè)通道可測(cè)量或生成不同類型的波形，并能檢測(cè)和控制兩個(gè)輸入/輸出信號(hào)，還具有三個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)。
2. 用戶外設(shè)
   • USART：提供兩個(gè)相同的全雙工通用同步/異步收發(fā)器，每個(gè) USART 有自己的波特率發(fā)生器和兩個(gè)專用的 PDC 通道。
   • TC：定時(shí)器計(jì)數(shù)器模塊包含三個(gè)相同的 16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器通道，可獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量、事件計(jì)數(shù)、間隔測(cè)量、脈沖生成、延遲定時(shí)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(xì)的引腳描述包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選信號(hào)、讀寫(xiě)信號(hào)、中斷信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等。在使用時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求對(duì)引腳進(jìn)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(shí)，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(shí)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(shí)鐘（MCK）由外部源通過(guò) MCKI 引腳提供，同時(shí) MCK 也可以通過(guò) 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(hào)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(rèn)狀態(tài)，并強(qiáng)制 ARM7TDMI 從地址零開(kāi)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(shí)會(huì)與 MCK 同步?？撮T(mén)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(dòng)器被禁用，方便連接仿真探頭而無(wú)需從目標(biāo)板上拆卸設(shè)備。進(jìn)入三態(tài)模式時(shí)，NTRI 引腳必須在 NRST 上升沿前的最后 10 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)保持低電平。

JTAG/ICE 調(diào)試

通過(guò) JTAG/ICE 端口支持 ARM 標(biāo)準(zhǔn)嵌入式在線仿真。TDI、TDO、TCK 和 TMS 引腳專門(mén)用于此調(diào)試功能，可通過(guò)外部 ICE 接口連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)。

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(duì)內(nèi)部 32 位地址總線進(jìn)行解碼，定義了三個(gè)地址空間：內(nèi)部存儲(chǔ)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(yùn)行。

內(nèi)部存儲(chǔ)器

1. 主 SRAM：集成 8K 字節(jié)的主內(nèi)部 SRAM，所有內(nèi)部存儲(chǔ)器寬度為 32 位，支持單時(shí)鐘周期訪問(wèn)，支持字節(jié)、半字或字訪問(wèn)。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(kuò)展 SRAM：在地址 0x0010 0000 處集成 128K 字節(jié)的擴(kuò)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(dòng)態(tài)更新應(yīng)用程序軟件，還可在批量生產(chǎn)前驗(yàn)證存儲(chǔ)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(chǔ)的指令。BMS 引腳在 NRST 上升沿前的最后 10 個(gè)時(shí)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(kuò)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(dòng)態(tài)重新定義 ARM 向量。重映射命令通過(guò) EBI 用戶接口訪問(wèn)，執(zhí)行重映射命令對(duì)于訪問(wèn)其他外部設(shè)備是必需的，重映射操作只能通過(guò)內(nèi)部復(fù)位或 NRST 斷言進(jìn)行更改。

中止控制

當(dāng)訪問(wèn) EBI 地址空間中的未定義地址時(shí)，會(huì)向 ARM7TDMI 發(fā)出數(shù)據(jù)中止或預(yù)取中止異常的中止信號(hào)。訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器或內(nèi)部外設(shè)時(shí)，無(wú)論地址是否定義，都不會(huì)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(wèn)，每個(gè)外設(shè)都有 16K 字節(jié)的地址空間（AIC 只有 4K 字節(jié)）。常見(jiàn)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(gè)外設(shè)的中斷控制通過(guò)狀態(tài)寄存器使用中斷掩碼進(jìn)行控制。狀態(tài)寄存器位與相應(yīng)的中斷掩碼位進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果再進(jìn)行或運(yùn)算以生成中斷源信號(hào)到高級(jí)中斷控制器。

外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）

AT91R40807 有 4 個(gè)通道的 PDC 專門(mén)用于兩個(gè)片上 USART。每個(gè) USART 的接收器和發(fā)送器各有一個(gè) PDC 通道。PDC 通道的用戶接口集成在每個(gè) 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(jì)數(shù)器寄存器。

訂購(gòu)與封裝信息

訂購(gòu)信息

AT91R40807 有特定的訂購(gòu)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(xì)的封裝尺寸和公差信息。同時(shí)，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(shí)間、實(shí)際峰值溫度附近的時(shí)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(shí)可能需要承受更高的溫度，并且每個(gè)組件最多允許三次回流焊接。

AT91R40807 微控制器憑借其強(qiáng)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(gè)高性能、低功耗、高可靠性的解決方案。無(wú)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(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求充分利用其特性，實(shí)現(xiàn)更加高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用類似微控制器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。