LPC43S50/S30/S20：32 位 ARM Cortex - M4/M0 微控制器的深度剖析

在嵌入式系统设计领域，选择一款合适的微控制器至关重要。NXP 推出的 LPC43S50/S30/S20 32 位 ARM Cortex - M4/M0 微控制器，凭借其丰富的功能和卓越的性能，成为众多工程师的理想之选。今天，我们就来深入了解这款微控制器。

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一、概述

LPC43S50/S30/S20 是基于 ARM Cortex - M4 架构的微控制器，专为嵌入式应用而设计。它集成了 ARM Cortex - M0 协处理器，拥有高达 264 kB 的 SRAM，具备 AES 引擎等安全特性，以及一系列先进的可配置外设。该系列微控制器的 CPU 频率最高可达 204 MHz，能满足多种复杂应用的需求。

二、核心特性

（一）处理器核心

1. ARM Cortex - M4 处理器
   • 运行频率最高可达 204 MHz，内置支持八个区域的内存保护单元（MPU），以及嵌套向量中断控制器（NVIC）。
   • 集成硬件浮点单元，支持单周期数字信号处理和 SIMD 指令，具备非屏蔽中断（NMI）输入。
   • 支持 JTAG 和串行线调试（SWD）、串行跟踪、八个断点和四个观察点，还具备增强跟踪模块（ETM）和增强跟踪缓冲区（ETB）支持，以及系统滴答定时器。
2. ARM Cortex - M0 协处理器
   • 能够分担主 ARM Cortex - M4 应用处理器的工作负载，运行频率同样可达 204 MHz。
   • 内置 NVIC，拥有 32 个向量中断。

（二）片上内存

• 提供高达 264 kB 的 SRAM 用于代码和数据存储，多个 SRAM 块具有独立的总线访问功能，其中两个 SRAM 块可单独掉电。
• 64 kB 的 ROM 包含引导代码和片上软件驱动，还有 64 位通用一次性可编程（OTP）内存和两个用于 AES 密钥存储的 256 位 OTP 内存库。

（三）时钟生成单元

• 晶体振荡器的工作范围为 1 MHz 至 25 MHz，12 MHz 内部 RC（IRC）振荡器在温度和电压范围内的精度可调整至 1.5%。
• 超低功耗实时时钟（RTC）晶体振荡器，三个锁相环（PLL）允许 CPU 在无需高频晶体的情况下达到最大 CPU 速率，第二个 PLL 专门用于高速 USB，第三个 PLL 可作为音频 PLL。同时还具备时钟输出功能。

（四）可配置数字外设

1. 串行 GPIO（SGPIO）接口
   • 每个 SGPIO 输入/输出切片可进行串行到并行或并行到串行的数据转换，16 个 SGPIO 输入/输出切片各有一个 32 位 FIFO，可在每个移位时钟周期对引脚的输入值或输出值进行移位。
   • 每个切片采用双缓冲，在 FIFO 满、移位时钟或模式匹配时会产生中断，切片还可串联以增加缓冲区大小，且每个切片都有 32 位模式匹配过滤器。
2. 状态可配置定时器（SCTimer/PWM）子系统
   • 可配置为两个 16 位计数器或一个统一的 32 位计数器，支持多种定时、计数、输出调制和输入捕获操作。
   • 具备状态变量、限制、暂停、停止和启动条件等独立操作元素，以及时钟选择、输入、事件、输出和中断等全局操作元素。

（五）串行接口

1. Quad SPI Flash 接口（SPIFI）
   • 支持 1、2 或 4 位数据传输，速率最高可达 52 MB 每秒，可与低成本串行闪存存储器连接，且支持 DMA 访问。
2. 10/100T 以太网 MAC
   • 具备 RMII 和 MII 接口以及 DMA 支持，支持 IEEE 1588 时间戳/高级时间戳（IEEE 1588 - 2008 v2），可实现高速数据传输和精确时间同步。
3. USB 接口
   • 一个高速 USB 2.0 主机/设备/OTG 接口（USB0），具备 DMA 支持和片上高速 PHY；一个高速 USB 2.0 主机/设备接口（USB1），具备 DMA 支持、片上全速 PHY 和 ULPI 接口以连接外部高速 PHY。同时，ROM USB 堆栈中包含 USB 接口电气测试软件。
4. UART 和 USART
   • 四个 550 UART 具备 DMA 支持，其中一个 UART 带有完整调制解调器接口，一个 UART 带有 IrDA 接口，三个 USART 支持 UART 同步模式和符合 ISO7816 规范的智能卡接口。
5. 其他接口
   • 两个 SSP 控制器具备 FIFO 和多协议支持，且都有 DMA 支持；一个 SPI 控制器；一个快速模式 Plus I²C - 总线接口和一个标准 I²C - 总线接口；两个 I²S 接口，每个都有 DMA 支持，且各有一个输入和一个输出。

（六）数字外设

1. 外部内存控制器（EMC）
   • 支持外部 SRAM、ROM、NOR 闪存和 SDRAM 设备，具有动态内存接口支持、异步静态内存设备支持、低事务延迟、读写缓冲区等特点，可提供 8/16/32 位数据和 24 位地址线的静态内存支持，以及 16 位和 32 位宽的芯片选择 SDRAM 内存支持。
2. LCD 控制器
   • 具备 DMA 支持，可编程显示分辨率最高可达 1024 H × 768 V，支持单色和彩色 STN 面板以及 TFT 彩色面板，支持 1/2/4/8 bpp 颜色查找表（CLUT）和 16/24 位直接像素映射。
3. Secure Digital 输入输出（SD/MMC）卡接口
   • 支持 Secure Digital 内存（SD 版本 3.0）、Secure Digital I/O（SDIO 版本 2.0）、消费电子高级传输架构（CE - ATA 版本 1.1）和多媒体卡（MMC 版本 4.4）。
4. 通用 DMA 控制器
   • 可进行外设到内存、内存到外设、外设到外设和内存到内存的事务，有八个 DMA 通道，支持单 DMA 和突发 DMA 请求信号，支持分散或聚集 DMA，具备硬件 DMA 通道优先级等特性。

（七）模拟外设

1. 10 位 DAC
   • 具备 DMA 支持，数据转换速率为 400 kSamples/s，具有 10 位分辨率、单调设计、可控转换速度和低功耗等特点。
2. 两个 10 位 ADC
   • 具备 DMA 支持，数据转换速率为 400 kSamples/s，每个 ADC 最多有八个输入通道。

（八）电源管理

• 采用单 3.3 V（2.2 V 至 3.6 V）电源供电，片上内部电压调节器为核心供电和 RTC 电源域供电，RTC 电源域可由 3 V 电池单独供电。
• 支持四种降低功耗模式：睡眠模式、深度睡眠模式、掉电模式和深度掉电模式。可通过各种外设的唤醒中断从睡眠模式唤醒处理器，通过外部中断和 RTC 电源域中电池供电模块产生的中断从深度睡眠、掉电和深度掉电模式唤醒。同时具备欠压检测功能，有四个独立的阈值用于中断和强制复位，以及上电复位（POR）。

三、应用领域

LPC43S50/S30/S20 适用于多种应用场景，包括通信集线器、汽车售后市场、电源管理、消费健康设备、嵌入式音频应用、工业控制、工业自动化和白色家电等。

四、订购信息

该系列提供多种封装类型，如 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等，不同型号在 SRAM 大小、LCD、以太网、USB 功能、ADC 通道、QEI、GPIO 数量等方面存在差异，工程师可根据具体需求进行选择。

五、功能描述

（一）架构概述

ARM Cortex - M4 包含系统总线、I - CODE 总线和 D - code 总线三条 AHB - Lite 总线，LPC43S50/S30/S20 使用多层 AHB 矩阵以灵活的方式将 ARM Cortex - M4 总线和其他总线主设备连接到外设，优化了性能。同时，ARM Cortex - M0 协处理器可分担主处理器的工作，大多数外设中断连接到两个处理器，它们通过处理器间通信协议进行通信。

（二）处理器特性

1. ARM Cortex - M4 处理器
   • 采用 3 级流水线，使用哈佛架构，具有独立的本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线，内部预取单元支持推测分支。支持单周期数字信号处理和 SIMD 指令，集成硬件浮点处理器，包含最多 53 个中断的 NVIC。
2. ARM Cortex - M0 协处理器
   • 是通用的 32 位微处理器，采用 3 级流水线冯 - 诺伊曼架构和小型但强大的指令集，具备 32 个中断的 NVIC。

（三）处理器间通信

ARM Cortex - M4 和 ARM Cortex - M0 通过使用共享 SRAM 作为邮箱，并通过在对方处理器的 NVIC 上引发中断来进行通信。

（四）其他功能单元

1. AHB 多层矩阵
   • 实现了主设备和从设备的灵活连接，优化了系统性能。
2. 嵌套向量中断控制器（NVIC）
   • 是 Cortex - M4 的组成部分，可实现低中断延迟和高效处理迟到的中断。ARM Cortex - M0 协处理器也有自己的 NVIC，大多数外设中断在两者之间共享。
3. 系统滴答定时器（SysTick）
   • ARM Cortex - M4 包含一个系统滴答定时器，用于以 10 ms 间隔生成专用的 SYSTICK 异常，而 ARM Cortex - M0 核心不包含该定时器。
4. 事件路由器
   • 可将各种内部信号、中断和外部中断引脚组合起来，在 NVIC 中创建中断，并可生成唤醒信号，使系统从睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电模式中唤醒。
5. 全局输入多路复用器阵列（GIMA）
   • 可将信号路由到事件驱动的外设目标，如 SCTimer/PWM、定时器、事件路由器或 ADC。

（五）内存映射

内存映射对 Cortex - M4 和 Cortex - M0 处理器是全局的，所有 SRAM 在两个处理器之间共享，每个处理器使用自己的 ARM 私有总线内存映射用于 NVIC 和其他系统功能。

（六）一次性可编程（OTP）内存

提供 64 位通用一次性可编程内存，256 位 OTP 内存可用于存储两个 AES 密钥，其中一个库是加密的。

（七）通用输入输出（GPIO）

提供八个 GPIO 端口，每个端口最多有 31 个 GPIO 引脚，设备引脚可动态配置为输入或输出，GPIO 寄存器位于 AHB 上以实现最快的 I/O 时序，还具备位级设置和清除寄存器、方向控制等功能，最多可选择八个 GPIO 引脚创建边缘或电平敏感的 GPIO 中断请求，还有两个 GPIO 组中断。

六、电气特性

（一）限制值

对各种电源引脚的电压、电流等参数有明确的限制，如 VDD(REG)(3V3) 调节器电源电压范围为 - 0.5 V 至 3.6 V，输入电压在不同条件下也有相应的限制，同时对静电放电电压等也有规定。

（二）热特性

可通过公式 (T{j}=T{amb}+(P{D} × R{th(j - a)})) 计算芯片的平均结温，不同封装类型的热阻不同，如 LQFP144 封装在不同条件下的热阻有所差异，BGA 封装也有各自的热阻特性。

（三）静态特性

对各种电源引脚的电压、电流等静态参数进行了详细说明，如不同工作模式下的调节器电源电流、电池供电电流等，不同类型引脚的输入电容、泄漏电流、输出电压等也有明确的参数范围。

（四）动态特性

1. 唤醒时间
   • 从睡眠模式唤醒的时间为 3 × (T{cy(clk)}) 至 5 × (T{cy(clk)}) ns，从深度睡眠和掉电模式唤醒的时间为 12 至 51 μs，从深度掉电模式唤醒的时间为 250 μs。
2. 时钟相关特性
   • 外部时钟的频率范围为 1 至 25 MHz，时钟周期时间、高电平和低电平时间等都有相应的要求。晶体振荡器、IRC 振荡器、RTC 振荡器等在不同频率下的周期抖动时间、频率等参数也有规定。
3. I/O 引脚特性
   • 不同类型的 I/O 引脚（标准 I/O 引脚、高速 I/O 引脚等）在上升时间、下降时间等方面有不同的要求，I²C - 总线、I²S - 总线接口、USART 接口、SSP 接口、SPI 接口等的动态特性也有详细说明。

（五）ADC/DAC 电气特性

1. ADC 特性
   • 模拟输入电压范围为 0 至 VDDA(3V3)，具有一定的输入电容，在不同的 VDDA(3V3) 电压范围内，差分线性误差、积分非线性、偏移误差、增益误差和绝对误差等有不同的取值范围，采样频率在不同分辨率下也有所不同。
2. DAC 特性
   • 在不同的 VDDA(3V3) 电压范围内，差分线性误差、积分非线性、偏移误差、增益误差等有相应的取值，负载电容和负载电阻也有规定，同时给出了建立时间。

七、应用信息

（一）LCD 面板信号使用

详细说明了不同类型 LCD 面板（STN 单面板、STN 双面板、TFT 面板）与 LPC43S50/S30/S20 的连接方式和引脚功能。

（二）晶体振荡器

晶体振荡器可在 1 MHz 至 25 MHz 频率下工作，可通过 PLL 提升频率，有奴隶模式和振荡模式两种工作模式，在不同模式下对外部组件有不同的要求，还给出了不同频率下推荐的外部负载电容值。

（三）RTC 振荡器

RTC 振荡器只需连接外部晶体和电容，也可连接外部时钟，对时钟信号的幅度和耦合电容有要求。

（四）PCB 布局指南

强调了晶体和 RTCX 在 PCB 上的布局要求，如尽量靠近芯片的振荡器输入和输出引脚，确保负载电容有共同的接地平面，避免高速或高驱动信号靠近 RTCX1/2 信号等。

（五）标准 I/O 引脚配置

标准 I/O 引脚有多种配置模式，默认配置为输入缓冲禁用和上拉启用，还具备抗干扰滤波器等功能。

（六）复位引脚配置

复位引脚有相应的配置电路，具备 20 ns 的 RC 滤波器。

（七）USB 接口解决方案

介绍了 USB 设备作为总线供电设备和自供电设备的连接方式和注意事项，对于自供电设备，当 VDDIO 可能为 0 V 时，需要采取措施保护 USBn_VBUS 引脚，如使用电压分压器等。

八、封装和焊接

提供了 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等封装的详细尺寸信息，以及不同封装的回流焊接的焊盘信息，包括焊盘尺寸、焊膏沉积等参数。

LPC43S50/S30/S20 微控制器以其丰富的功能、高性能和低功耗等特点，为嵌入式系统设计提供了强大的支持。工程师在设计过程中，可根据具体应用需求，充分利用其各种特性，开发出更优秀的产品。同时，在使用过程中要严格遵循其电气特性和应用指南，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用这款微控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。