探索AT91FR40162：高性能ARM微控制器的深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，選擇一款合適的微控制器對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。今天，我們將深入探討Atmel公司的AT91FR40162微控制器，了解它的特性、架構(gòu)以及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

文件下載：AT91FR40162-CI.pdf

一、產(chǎn)品概述

AT91FR40162是Atmel AT91 16/32位微控制器家族的一員，基于ARM7TDMI處理器核心。它具有高性能的32位RISC架構(gòu)和高密度的16位指令集，功耗極低。該微控制器集成了2Mbits的片上SRAM和2Mbytes的閃存，采用121球BGA封裝，體積小巧，非常適合空間受限的應(yīng)用。

二、特性亮點(diǎn)

處理器核心

• 高性能架構(gòu)：ARM7TDMI處理器核心提供了32位RISC架構(gòu)，具備16位指令集，在MIPS/Watt方面表現(xiàn)出色。
• 嵌入式ICE：支持嵌入式ICE（在線仿真），方便進(jìn)行調(diào)試。

內(nèi)存配置

• SRAM：256K字節(jié)的片上SRAM，32位數(shù)據(jù)總線，單時(shí)鐘周期訪問，可提供高達(dá)74 MIPs的性能，同時(shí)降低功耗和改善EMC。
• 閃存：1024K字的16位閃存（2M字節(jié)），具有單電壓讀寫、扇區(qū)擦除架構(gòu)、雙平面組織等特性，支持并發(fā)讀寫和擦除操作，還具備擦除暫停功能和低功耗運(yùn)行。

外設(shè)接口

• 外部總線接口（EBI）：完全可編程，最多支持8個(gè)片選信號(hào)，最大外部地址空間為64M字節(jié)，軟件可編程8/16位外部數(shù)據(jù)總線。
• 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，包括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。
• I/O接口：32個(gè)可編程I/O線，可靈活配置。
• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：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。
• USART：2個(gè)USART，每個(gè)USART有2個(gè)專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道。
• 看門狗定時(shí)器：可編程看門狗定時(shí)器，可防止系統(tǒng)鎖定。

電源管理

• 先進(jìn)的節(jié)能特性：CPU和外設(shè)可單獨(dú)停用，實(shí)現(xiàn)完全靜態(tài)操作，內(nèi)部頻率范圍為0 Hz至75 MHz（VDDCORE = 1.8V，85°C）。
• 電源范圍：I/O工作電壓范圍為2.7V至3.6V，核心工作電壓范圍為1.65V至1.95V，工作溫度范圍為 -40°C至85°C。

三、引腳配置與說明

引腳配置

AT91FR40162采用121球BGA封裝，其引腳配置如圖所示。每個(gè)引腳都有特定的功能，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、片選信號(hào)、中斷信號(hào)等。

引腳說明

詳細(xì)的引腳說明見下表，涵蓋了各個(gè)模塊的引腳功能、類型、有效電平以及相關(guān)注釋。例如，EBI模塊的地址總線A0 - A23用于輸出地址信號(hào)，數(shù)據(jù)總線D0 - D15為I/O類型；AIC模塊的FIQ為快速中斷請(qǐng)求輸入等。

四、架構(gòu)概述

整體架構(gòu)

AT91FR40162集成了Atmel的AT91R40008 ARM Thumb處理器和AT49BV1604A/1614A 2-Mbyte閃存芯片，采用121球BGA封裝。其架構(gòu)由先進(jìn)系統(tǒng)總線（ASB）和先進(jìn)外設(shè)總線（APB）組成。ASB連接ARM7TDMI處理器與片上32位SRAM、外部總線接口（EBI）和AMBA橋，以實(shí)現(xiàn)高性能操作；APB則用于訪問片上外設(shè)，優(yōu)化了功耗。

內(nèi)存管理

• 內(nèi)部SRAM：256K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，直接連接32位數(shù)據(jù)總線，單周期訪問，可提供67 MIPS的性能，減少系統(tǒng)功耗。
• 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或16位設(shè)備，采用早期讀取協(xié)議，提高內(nèi)存訪問速度。
• 閃存：2-Mbyte閃存通過EBI訪問，支持單訪問加載16位Thumb指令，提供獨(dú)立的MCU和閃存復(fù)位輸入，集成了AT91 Flash Uploader軟件，可將程序應(yīng)用軟件上傳到閃存中。

外設(shè)集成

• 系統(tǒng)外設(shè)：包括EBI、電源管理模塊（PS）、高級(jí)中斷控制器（AIC）、并行輸入/輸出控制器（PIO）、看門狗（WD）和特殊功能模塊（SF）。
• 用戶外設(shè)：兩個(gè)獨(dú)立可配置的USART，支持高速同步或異步通信；3通道16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器（TC），可實(shí)現(xiàn)多種功能。

五、應(yīng)用注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)

AT91FR40162有VDDCORE和VDDIO兩種電源引腳，分別為芯片核心和I/O線及閃存供電，獨(dú)立的I/O電源可靈活適應(yīng)外部組件信號(hào)電平。

輸入/輸出

I/O引腳接受的電壓電平最高為VDDIO電源限制，復(fù)位后，微控制器外設(shè)I/O初始化為輸入，建議在應(yīng)用中保持輸入處于有效邏輯電平以降低功耗。

主時(shí)鐘

采用完全靜態(tài)設(shè)計(jì)，主時(shí)鐘（MCK）由外部源提供在MCKI引腳，MCKO引腳可輸出主時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位后需通過PIO控制器配置該引腳。

復(fù)位

復(fù)位可恢復(fù)用戶接口寄存器的默認(rèn)狀態(tài)，使ARM7TDMI從地址零開始執(zhí)行指令。NRST引腳為低電平有效，異步斷言，退出復(fù)位與MCK同步；看門狗可編程產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位，但NRST引腳優(yōu)先級(jí)更高。

仿真功能

• 三態(tài)模式：用于調(diào)試，可在不拆卸設(shè)備的情況下連接仿真探頭，進(jìn)入三態(tài)模式需在NRST上升沿前10個(gè)時(shí)鐘周期將NTRI引腳拉低。
• JTAG/ICE調(diào)試：支持ARM標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式在線仿真，通過JTAG/ICE端口進(jìn)行調(diào)試。

內(nèi)存控制器

• 內(nèi)部?jī)?nèi)存：集成256K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，支持字節(jié)、半字和字訪問，可存儲(chǔ)更多Thumb指令，提高微控制器性能和降低功耗。
• 引導(dǎo)模式選擇：ARM復(fù)位向量位于地址0x0，BMS引腳電平?jīng)Q定引導(dǎo)內(nèi)存類型，若使用嵌入式閃存作為引導(dǎo)內(nèi)存，需將BMS輸入拉低并連接NCS0到NCSF。
• 重映射命令：用于動(dòng)態(tài)重新定義ARM向量，通過EBI用戶接口寫入重映射控制寄存器（EBI_RCR）的RCB位實(shí)現(xiàn)。
• 外部總線接口：處理地址0x0040 0000至0xFFC0 0000之間的訪問，可配置不同的等待狀態(tài)、數(shù)據(jù)浮動(dòng)時(shí)間、數(shù)據(jù)總線寬度等，支持早期讀取協(xié)議。
• 閃存：2-Mbyte閃存采用16位字組織，通過EBI訪問，具有數(shù)據(jù)輪詢、切換位和就緒/忙信號(hào)檢測(cè)等功能，支持并發(fā)讀寫和擦除操作，可分段擦除和保護(hù)數(shù)據(jù)。

AT91 Flash Uploader軟件

所有基于閃存的AT91設(shè)備都預(yù)裝了AT91 Flash Uploader軟件，可通過串口對(duì)嵌入式閃存進(jìn)行編程。該軟件需要將封裝的閃存作為引導(dǎo)內(nèi)存，并在MCKI引腳提供有效時(shí)鐘。

六、訂購(gòu)與封裝信息

訂購(gòu)信息

AT91FR40162的訂購(gòu)代碼為AT91FR40162 - CI，采用BGA 121封裝，適用于工業(yè)溫度范圍（ -40°C至85°C）。

封裝信息

該微控制器采用121球BGA封裝，具有特定的熱阻數(shù)據(jù)、最大重量和封裝特性，如球直徑、球焊盤、焊錫掩膜開口等。

焊接規(guī)范

推薦的焊接曲線遵循J - STD - 20標(biāo)準(zhǔn)，包括平均升溫速率、預(yù)熱溫度、高于183°C的保持時(shí)間、峰值溫度范圍、降溫速率等參數(shù)。小封裝可能需要承受更高的溫度，具體的回流條件取決于封裝厚度和體積。

七、勘誤說明

AT91FR40162存在一些已知問題，如全芯片擦除命令可能無法完全擦除閃存、并發(fā)讀取功能可能導(dǎo)致閃存訪問錯(cuò)誤、扇區(qū)擦除命令可能無法完全擦除扇區(qū)、閃存內(nèi)存上傳器（FMU）在某些批次的高速運(yùn)行問題以及VPP電壓過高可能導(dǎo)致部分扇區(qū)擦除失敗等。針對(duì)這些問題，文檔提供了相應(yīng)的解決方法。

AT91FR40162以其高性能、低功耗和豐富的外設(shè)接口，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，充分了解其特性和注意事項(xiàng)，可以確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。你在使用AT91FR40162時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。