AT91FR40161微控制器：嵌入式設(shè)計(jì)的理想之選

在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，選擇一款合適的微控制器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討Atmel公司的AT91FR40161微控制器，了解它的特性、架構(gòu)、應(yīng)用以及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)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(nèi)核。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。大量?jī)?nèi)部存儲(chǔ)的寄存器使得異常處理速度極快，非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。其八層優(yōu)先級(jí)向量中斷控制器與外設(shè)數(shù)據(jù)控制器相結(jié)合，顯著提升了實(shí)時(shí)設(shè)備的性能。

該微控制器將超過(guò)1 Mbit的片上SRAM、豐富的外設(shè)功能和16 Mbits的Flash存儲(chǔ)器集成在一個(gè)緊湊的120球BGA封裝中，為許多計(jì)算密集型嵌入式控制應(yīng)用提供了強(qiáng)大、靈活且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，同時(shí)還能顯著減小電路板尺寸和降低系統(tǒng)成本。

二、特性亮點(diǎn)

處理器內(nèi)核與架構(gòu)

• ARM7TDMI內(nèi)核：采用ARM7TDMI? ARM? Thumb?處理器內(nèi)核，具備高性能32位RISC架構(gòu)和高密度16位指令集，在MIPS/Watt方面表現(xiàn)出色，還集成了嵌入式ICE（在線仿真）功能。
• 雙總線架構(gòu)：由高級(jí)系統(tǒng)總線（ASB）和高級(jí)外設(shè)總線（APB）組成。ASB用于ARM7TDMI處理器與片上32位存儲(chǔ)器、外部總線接口（EBI）和AMBA?橋的接口，以實(shí)現(xiàn)高性能；APB則用于訪問(wèn)片上外設(shè)，優(yōu)化了功耗。

存儲(chǔ)器配置

• SRAM：片內(nèi)集成136 Kbytes的SRAM，直接連接到32位數(shù)據(jù)總線，單周期可訪問(wèn)，使用處理器的ARM指令集在33 MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)30 MIPS的最大性能，降低了系統(tǒng)功耗。
• Flash存儲(chǔ)器：擁有1024K字的16位Flash存儲(chǔ)器（2M字節(jié)），支持單電壓讀寫，具有扇區(qū)擦除架構(gòu)和擦除暫停功能，雙平面組織允許同時(shí)進(jìn)行讀和編程/擦除操作，還具備數(shù)據(jù)輪詢、切換位和就緒/繁忙程序周期結(jié)束檢測(cè)等特性。此外，還集成了AT91 Flash Uploader軟件，方便程序應(yīng)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(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，采用早期讀取協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器接口更快的存儲(chǔ)器訪問(wèn)。

外設(shè)功能

• 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，包含四個(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端口：32個(gè)可編程I/O線，可靈活配置為各種外設(shè)的輸入輸出。
• 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)通道有三個(gè)外部時(shí)鐘輸入和兩個(gè)多功能I/O引腳。
• USART：兩個(gè)USART，每個(gè)USART有兩個(gè)專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）通道，可實(shí)現(xiàn)高速同步或異步通信。
• 看門狗定時(shí)器：可編程看門狗定時(shí)器，可防止軟件陷入死鎖導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定。
• 電源管理：具備先進(jìn)的節(jié)能特性，CPU和外設(shè)可單獨(dú)停用，支持0 Hz至33 MHz的內(nèi)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(shù)據(jù)總線、片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)等多種功能引腳。每個(gè)引腳都有明確的功能定義，例如：

• 地址總線（A0 - A23）：用于傳輸?shù)刂沸畔?，?fù)位后有效，注意不要將A20重新編程為I/O，因?yàn)樗荈lash地址的最高有效位。
• 數(shù)據(jù)總線（D0 - D15）：用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。
• 片選信號(hào)（NCS0 - NCS3、CS4 - CS7）：用于選擇外部設(shè)備，有低電平有效和高電平有效之分。

詳細(xì)的引腳描述和功能說(shuō)明在文檔的表格中進(jìn)行了清晰的闡述，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行合理的引腳分配和連接。

四、工作模式與操作

電源供應(yīng)與時(shí)鐘

• 電源：采用單一電源引腳(V_{DD})，為I/O焊盤和內(nèi)核供電，支持2.7V至3.6V的電壓范圍。
• 時(shí)鐘：具有全靜態(tài)設(shè)計(jì)，主時(shí)鐘（MCK）由外部源通過(guò)MCKI引腳提供，MCKO引腳可輸出主時(shí)鐘信號(hào)，該引腳與通用I/O線復(fù)用，需要通過(guò)PIO控制器進(jìn)行編程配置。

復(fù)位操作

• NRST引腳復(fù)位：NRST為低電平有效輸入，異步斷言，但退出復(fù)位時(shí)與MCK內(nèi)部同步。為確保正確操作，MCKI上的信號(hào)在NRST上升沿之前至少10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)必須有效，處理器在NRST上升沿后80個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行首次取指。
• 看門狗復(fù)位：看門狗可編程產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)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(dòng)模式和三態(tài)模式。若NRST引腳被斷言且看門狗觸發(fā)內(nèi)部復(fù)位，NRST引腳具有優(yōu)先級(jí)。

仿真功能

• 三態(tài)模式：用于調(diào)試，可在不拆卸目標(biāo)板上的器件的情況下連接仿真探頭。進(jìn)入三態(tài)模式時(shí)，AT91R40807微控制器的所有輸出引腳驅(qū)動(dòng)禁用，可通過(guò)外部引腳直接訪問(wèn)Flash，便于在板安裝前使用標(biāo)準(zhǔn)閃存編程器進(jìn)行生產(chǎn)閃存編程。進(jìn)入該模式需在NRST上升沿前的最后十個(gè)時(shí)鐘周期將NTRI引腳保持低電平，正常操作時(shí)需通過(guò)高達(dá)400 kΩ的電阻將NTRI引腳在復(fù)位期間保持高電平。
• JTAG/ICE調(diào)試：支持ARM標(biāo)準(zhǔn)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(guò)外部ICE接口連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)。在ICE調(diào)試模式下，ARM7TDMI內(nèi)核會(huì)響應(yīng)一個(gè)非JTAG芯片ID來(lái)識(shí)別微控制器，但不完全符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)存控制與啟動(dòng)模式

• 內(nèi)存控制器：ARM7TDMI處理器地址空間為4 Gbytes，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：最低的四兆字節(jié)為內(nèi)部存儲(chǔ)器，中間為EBI控制的外部設(shè)備（存儲(chǔ)器或外設(shè)）預(yù)留空間，最高的四兆字節(jié)為內(nèi)部外設(shè)空間。ARM7TDMI僅在小端模式下運(yùn)行。
• 啟動(dòng)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)鐘周期的輸入電平?jīng)Q定了啟動(dòng)存儲(chǔ)器的類型，高電平選擇內(nèi)部32位擴(kuò)展SRAM，低電平選擇NCS0上的外部16位存儲(chǔ)器。若要使用嵌入式Flash存儲(chǔ)器作為啟動(dòng)存儲(chǔ)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(fù)位、中止、數(shù)據(jù)中止、預(yù)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(guò)重映射命令可在啟動(dòng)存儲(chǔ)器和內(nèi)部主SRAM存儲(chǔ)體地址之間切換，該命令可通過(guò)EBI用戶界面寫入EBI_RCR（重映射控制寄存器）的RCB來(lái)實(shí)現(xiàn)。若需要訪問(wèn)其他外部設(shè)備（連接到片選1至7），則必須執(zhí)行重映射命令，且重映射操作只能通過(guò)內(nèi)部復(fù)位或NRST斷言來(lái)恢復(fù)。

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(wèn)，可生成控制外部設(shè)備訪問(wèn)的信號(hào)，可配置為八個(gè)1兆字節(jié)的存儲(chǔ)體至四個(gè)16兆字節(jié)的存儲(chǔ)體，支持字節(jié)、半字和字對(duì)齊訪問(wèn)。用戶可對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)體的等待狀態(tài)數(shù)、數(shù)據(jù)浮動(dòng)時(shí)間、數(shù)據(jù)總線寬度等進(jìn)行編程，還具有早期讀取協(xié)議，可顯著減少外部設(shè)備在單時(shí)鐘周期訪問(wèn)時(shí)的訪問(wèn)時(shí)間要求。
• Flash存儲(chǔ)器：2 Mbyte的Flash存儲(chǔ)器組織為1,048,576個(gè)16位字，通過(guò)EBI進(jìn)行尋址，使用地址線A1 - A20。除Flash存儲(chǔ)器使能信號(hào)外，地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)在內(nèi)部互連。用戶需將Flash存儲(chǔ)器使能（NCSF）連接到EBI上的一個(gè)低電平有效片選信號(hào)，若Flash存儲(chǔ)器用作啟動(dòng)存儲(chǔ)器，則必須使用NCS0，且BMS輸入必須外部拉低。啟動(dòng)時(shí)，EBI需配置正確數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)等待狀態(tài)。Flash存儲(chǔ)器具有數(shù)據(jù)輪詢、開(kāi)放漏極NBUSY輸出引腳和切換位功能，可檢測(cè)程序或擦除周期的結(jié)束。它分為兩個(gè)存儲(chǔ)平面，可在一個(gè)平面進(jìn)行程序或擦除操作時(shí)從另一個(gè)平面進(jìn)行讀取。此外，它還被劃分為39個(gè)扇區(qū)，具有擦除暫停功能，可保護(hù)任何扇區(qū)的數(shù)據(jù)，還提供可選的VPP引腳以提高程序/擦除時(shí)間。

AT91 Flash Uploader軟件

所有基于Flash的AT91設(shè)備都預(yù)裝了AT91 Flash Uploader軟件，該軟件位于嵌入式Flash的第一個(gè)扇區(qū)，允許通過(guò)串口對(duì)嵌入式Flash進(jìn)行編程，可使用片上的任意一個(gè)USART。操作時(shí)，需要將嵌入式Flash用作AT91FR40161的啟動(dòng)存儲(chǔ)器，并向MCKI提供有效時(shí)鐘。復(fù)位后，F(xiàn)lash Uploader會(huì)立即將自身復(fù)制到內(nèi)部SRAM并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，后續(xù)操作僅使用該內(nèi)存資源，外部訪問(wèn)僅用于對(duì)嵌入式Flash進(jìn)行編程。編程系統(tǒng)通過(guò)專有協(xié)議發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，最后一步需由編程系統(tǒng)擦除并編程Flash的第一個(gè)扇區(qū)，以降低Flash Uploader被擦除且電源關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。

外設(shè)操作

• 外設(shè)寄存器：AT91FR40161的外設(shè)連接到32位寬的高級(jí)外設(shè)總線，外設(shè)寄存器僅支持字訪問(wèn)，字節(jié)和半字訪問(wèn)將被自動(dòng)屏蔽最低地址位并生成字訪問(wèn)。每個(gè)外設(shè)都有16 Kbyte的地址空間（AIC僅有4 Kbyte），常見(jiàn)的外設(shè)寄存器包括控制寄存器（寫唯一寄存器，寫入1觸發(fā)命令）、模式寄存器（定義外設(shè)配置）、數(shù)據(jù)寄存器（用于處理器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換）、狀態(tài)寄存器（返回外設(shè)狀態(tài)）和啟用/禁用/狀態(tài)寄存器（用于外設(shè)中斷源的啟用和禁用）。
• 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)果進(jìn)行或運(yùn)算以生成中斷源信號(hào)發(fā)送到高級(jí)中斷控制器。中斷掩碼可在中斷掩碼寄存器中讀取，并通過(guò)中斷使能寄存器和中斷禁用寄存器進(jìn)行修改，可使用不可中斷的單條指令啟用或禁用外設(shè)中斷源，避免了在AIC或內(nèi)核級(jí)別進(jìn)行中斷屏蔽。
• 外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）：AT91FR40161有4個(gè)通道的PDC，專門用于兩個(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通道的用戶界面集成在每個(gè)USART的內(nèi)存空間中，包含32位地址指針寄存器（RPR或TPR）和16位傳輸計(jì)數(shù)器寄存器（RCR或TCR）。當(dāng)執(zhí)行完編程的傳輸次數(shù)后，USART狀態(tài)寄存器中的傳輸結(jié)束狀態(tài)位將被設(shè)置，并可生成中斷。

五、系統(tǒng)與用戶外設(shè)

系統(tǒng)外設(shè)

• 電源管理（PS）：優(yōu)化功耗，可使軟件停止ARM7TDMI時(shí)鐘（空閑模式），并在模塊接收到中斷（或復(fù)位）時(shí)重新啟動(dòng)。還可單獨(dú)啟用和禁用片上外設(shè)時(shí)鐘，以匹配功耗和應(yīng)用需求。
• 高級(jí)中斷控制器（AIC）：具有8級(jí)優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，驅(qū)動(dòng)ARM7TDMI的NIRQ和NFIQ引腳，可處理外部快速中斷線（FIQ）和片上外設(shè)的中斷信號(hào)。具有廣泛的可編程性和向量特性，可減少實(shí)時(shí)中斷處理的開(kāi)銷，還具有偽向量檢測(cè)功能和保護(hù)模式，便于調(diào)試。
• 并行I/O控制器（PIO）：擁有32個(gè)可編程I/O線，其中六個(gè)引腳作為通用I/O引腳，其他I/O線與外設(shè)的外部信號(hào)復(fù)用，以優(yōu)化封裝引腳的使用?？稍谳斎胱兓瘯r(shí)生成中斷，并在任何PIO引腳插入簡(jiǎn)單的輸入毛刺濾波器。
• 看門狗（WD）：基于16位計(jì)數(shù)器構(gòu)建，用于防止軟件陷入死鎖導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定，可生成內(nèi)部復(fù)位或中斷，或在專用引腳NWDOVF上斷言有效電平。所有編程寄存器都受密碼保護(hù)，以防止意外編程。
• 特殊功能（SF）：提供實(shí)現(xiàn)芯片識(shí)別、復(fù)位狀態(tài)和保護(hù)模式等特殊功能的寄存器。

用戶外設(shè)

• USART：提供兩個(gè)相同的全雙工通用同步/異步接收器/發(fā)送器，每個(gè)USART有自己的波特率發(fā)生器和兩個(gè)專用的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器通道。數(shù)據(jù)格式包括起始位、最多8個(gè)數(shù)據(jù)位、可選的可編程奇偶校驗(yàn)位和最多2個(gè)停止位，還具有接收器超時(shí)寄存器和時(shí)間保護(hù)寄存器，便于與PDC配合工作和與慢速遠(yuǎn)程設(shè)備接口。
• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TC）：包含三個(gè)相同的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器通道，每個(gè)通道可獨(dú)立編程，執(zhí)行頻率測(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?？稍诓东@或波形模式下使用，三個(gè)計(jì)數(shù)器通道可同時(shí)啟動(dòng)并鏈接在一起。

六、訂購(gòu)與封裝信息

訂購(gòu)信息

AT91FR40161的訂購(gòu)代碼為AT91FR40161 - CI，采用BGA 120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120球球柵陣列（BGA）封裝，文檔中提供了詳細(xì)的封裝圖紙和相關(guān)尺寸信息，包括球直徑、球焊盤、阻焊層開(kāi)口、鍍覆材料、焊球材料、濕度敏感度等級(jí)等。同時(shí)，還給出了熱阻數(shù)據(jù)、最大重量以及推薦的焊接曲線，設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格按照這些參數(shù)進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和焊接操作，以確保器件的性能和可靠性。

七、總結(jié)與思考

AT91FR40161微控制器憑借其強(qiáng)大的處理器內(nèi)核、豐富的存儲(chǔ)器配置、多樣的外設(shè)功能以及靈活的操作模式，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)全面而強(qiáng)大的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的項(xiàng)目需求，合理配置引腳、選擇合適的啟動(dòng)模式、優(yōu)化外設(shè)使用，以充分發(fā)揮該微控制器的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，對(duì)于調(diào)試和編程功能的掌握，也有助于提高開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

大家在使用AT91FR40161微控制器時(shí)，是否遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題或有一些巧妙的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。