AT91R40807 微控制器：高性能嵌入式控制的理想之选

在嵌入式控制领域，一款性能卓越、功能丰富的微控制器对于实现高效、稳定的系统至关重要。今天，我们就来深入了解一下 Atmel 公司的 AT91R40807 微控制器，看看它有哪些独特的魅力。

文件下载：AT91R40807-33AU.pdf

芯片特性

强大的处理器核心

AT91R40807 采用了 ARM7TDMI™ ARM Thumb 处理器核心，具备高性能 32 位 RISC 架构和高密度 16 位指令集。这种架构不仅提供了出色的处理能力，还在 MIPS/Watt 方面表现领先，意味着它能以较低的功耗实现较高的性能。同时，嵌入式 ICE（In - circuit Emulation）功能为开发人员提供了便捷的调试手段。

丰富的片上资源

1. 大容量 SRAM：拥有 136K 字节的片上 SRAM，通过 32 位数据总线连接，支持单时钟周期访问，能够有效提高数据处理速度，降低系统功耗。
2. 灵活的外部总线接口：完全可编程的外部总线接口（EBI），最大外部地址空间可达 64M 字节，最多支持 8 个片选信号。软件可编程的 8/16 位外部数据总线，可根据不同的应用需求进行灵活配置。
3. 高效的中断控制器：8 级优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，包含 4 个外部中断，其中一个为高优先级低延迟中断请求，可显著提升系统的实时响应能力。
4. 多功能 I/O 接口：32 个可编程 I/O 线，3 通道 16 位定时器/计数器，每个通道有 3 个外部时钟输入和 2 个多功能 I/O 引脚，可满足各种复杂的控制需求。
5. 双 USART 通信：2 个 USART 接口，每个 USART 配备 2 个专用的外设数据控制器（PDC）通道，可实现高速、稳定的串行通信。
6. 可编程看门狗定时器：能够防止软件陷入死锁导致系统锁定，提高系统的可靠性。
7. 先进的节能特性：CPU 和外设可以单独停用，支持 0 Hz 到 33 MHz 的内部频率范围（3.0V，85°C），工作电压范围为 1.8V 到 3.6V，工作温度范围为 - 40°C 到 +85°C，适用于各种复杂的应用环境。

结构架构

总线架构

AT91R40807 微控制器的架构由两条主要总线组成，即高级系统总线（ASB）和高级外设总线（APB）。ASB 负责将 ARM7TDMI 处理器与片上 32 位存储器、外部总线接口（EBI）和 AMBA™ 桥连接起来，以实现高性能的数据传输。AMBA 桥驱动 APB，APB 主要用于访问片上外设，并且针对低功耗进行了优化。

存储器系统

1. 内部 SRAM：集成了 136K 字节的内部 SRAM，直接连接到 32 位数据总线，单周期可访问。通过使用处理器的 ARM 指令集，在 40 MHz 时可提供高达 36 MIPS 的性能，有效降低了系统功耗。
2. 外部总线接口（EBI）：支持连接外部存储器和特定应用外设，支持 8 位或 16 位设备，还能使用两个 8 位设备模拟一个 16 位设备。EBI 实现了早期读取协议，比标准内存接口具有更快的内存访问速度。

外设系统

1. 系统外设
   • 外部总线接口（EBI）：通过 8 位或 16 位数据总线控制外部存储器或外设设备，每个片选线都有自己的编程寄存器。
   • 节能模块（PS）：实现空闲模式（ARM7TDMI 核心时钟停止，直到下一个中断），允许用户根据应用需求调整微控制器的功耗。
   • 高级中断控制器（AIC）：控制来自内部外设和四个外部中断线（包括 FIQ）的内部中断源，提供中断和/或快速中断请求给 ARM7TDMI，集成 8 级优先级控制器，通过自动向量功能减少中断延迟时间。
   • 并行输入/输出控制器（PIO）：控制多达 32 个 I/O 线，用户可以选择特定引脚用于片上外设输入/输出功能或通用输入/输出信号引脚，还能编程检测每个线的信号变化中断。
   • 看门狗（WD）：基于 16 位计数器，可防止软件死锁导致的系统锁定，可生成内部复位或中断，或在专用引脚 NWDOVF 上输出有效电平。
   • 特殊功能模块（SF）：集成芯片 ID、复位状态和保护寄存器。
   • USART：两个独立可配置的 USART，支持同步或异步模式的高速通信，数据格式包括起始位、停止位、奇偶校验位和最多 8 位数据位，每个 USART 还具有超时和时间保护寄存器，方便使用两个专用的外设数据控制器（PDC）通道。
   • 定时器计数器（TC）：3 通道 16 位定时器计数器，高度可编程，支持捕获或波形模式，每个通道可测量或生成不同类型的波形，并能检测和控制两个输入/输出信号，还具有三个外部时钟信号。
2. 用户外设
   • USART：提供两个相同的全双工通用同步/异步收发器，每个 USART 有自己的波特率发生器和两个专用的 PDC 通道。
   • TC：定时器计数器模块包含三个相同的 16 位定时器计数器通道，可独立编程实现频率测量、事件计数、间隔测量、脉冲生成、延迟定时和脉冲宽度调制等多种功能。

引脚配置与使用

AT91R40807 采用 100 引脚 TQFP 封装，其引脚具有多种功能。详细的引脚描述包括地址总线、数据总线、片选信号、读写信号、中断信号、时钟信号等。在使用时，需要根据具体的应用需求对引脚进行合理配置。例如，在复位后，外设 I/O 初始化为输入，以提供最大的灵活性。同时，为了降低功耗，建议在任何应用阶段将输入保持在有效的逻辑电平。

工作模式与控制

电源与时钟

AT91R40807 的电源由 VDD 引脚提供，支持 1.8V 到 3.6V 的电压范围。主时钟（MCK）由外部源通过 MCKI 引脚提供，同时 MCK 也可以通过 MCKO 引脚输出，该引脚与通用 I/O 线复用。复位期间，MCKO 保持低电平，复位后输出 MCK 信号的镜像。

复位操作

复位操作可恢复用户接口寄存器的默认状态，并强制 ARM7TDMI 从地址零开始执行下一条指令。NRST 引脚为低电平有效输入，异步断言，但退出复位时会与 MCK 同步。看门狗也可以编程生成内部复位，但与 NRST 引脚断言有所不同。

三态模式

AT91R40807 提供三态模式，用于调试目的。在三态模式下，所有输出引脚驱动器被禁用，方便连接仿真探头而无需从目标板上拆卸设备。进入三态模式时，NTRI 引脚必须在 NRST 上升沿前的最后 10 个时钟周期内保持低电平。

JTAG/ICE 调试

通过 JTAG/ICE 端口支持 ARM 标准嵌入式在线仿真。TDI、TDO、TCK 和 TMS 引脚专门用于此调试功能，可通过外部 ICE 接口连接到主机计算机。

内存管理

内存控制器

ARM7TDMI 处理器的地址空间为 4G 字节，内存控制器对内部 32 位地址总线进行解码，定义了三个地址空间：内部存储器（最低 4 兆字节）、由 EBI 控制的外部设备（中间空间）和内部外设（最高 4 兆字节）。在这些地址空间中，ARM7TDMI 仅以小端模式运行。

内部存储器

1. 主 SRAM：集成 8K 字节的主内部 SRAM，所有内部存储器宽度为 32 位，支持单时钟周期访问，支持字节、半字或字访问。主 SRAM 映射在地址 0x0（重映射命令后），允许软件修改 ARM7TDMI 异常向量。
2. 扩展 SRAM：在地址 0x0010 0000 处集成 128K 字节的扩展 SRAM，提高了微控制器的性能并降低了系统功耗。该 SRAM 可用于动态更新应用程序软件，还可在批量生产前验证存储在片上 ROM 中的代码。
3. ROM 版本：AT91R40807 的 ROM 版本（AT91M40807）在地址 0x0010 0000 处集成 128K 字节的内部 ROM，为软件稳定的高批量应用提供了低成本选择。

引导模式选择

ARM 复位向量位于地址 0x0，NRST 线释放后，ARM7TDMI 执行该地址存储的指令。BMS 引脚在 NRST 上升沿前的最后 10 个时钟周期内的输入电平决定了引导内存的类型。AT91R40807 支持在片上扩展 SRAM 中引导，用于模拟 ROM 版本。

重映射命令

AT91R40807 微控制器使用重映射命令允许软件动态重新定义 ARM 向量。重映射命令通过 EBI 用户接口访问，执行重映射命令对于访问其他外部设备是必需的，重映射操作只能通过内部复位或 NRST 断言进行更改。

中止控制

当访问 EBI 地址空间中的未定义地址时，会向 ARM7TDMI 发出数据中止或预取中止异常的中止信号。访问内部存储器或内部外设时，无论地址是否定义，都不会产生中止。

外设寄存器与控制

外设寄存器

AT91R40807 的外设寄存器仅支持字访问，每个外设都有 16K 字节的地址空间（AIC 只有 4K 字节）。常见的寄存器包括控制寄存器、模式寄存器、数据寄存器、状态寄存器和使能/禁用/状态寄存器。

外设中断控制

每个外设的中断控制通过状态寄存器使用中断掩码进行控制。状态寄存器位与相应的中断掩码位进行与运算，结果再进行或运算以生成中断源信号到高级中断控制器。

外设数据控制器（PDC）

AT91R40807 有 4 个通道的 PDC 专门用于两个片上 USART。每个 USART 的接收器和发送器各有一个 PDC 通道。PDC 通道的用户接口集成在每个 USART 的内存空间中，包含 32 位地址指针寄存器和 16 位传输计数器寄存器。

订购与封装信息

订购信息

AT91R40807 有特定的订购代码，如 AT91R40807 - 33AI，采用 TQFP 100 封装，适用于工业温度范围（-40 °C 到 85 °C）。

封装信息

采用 100 引脚薄型四方扁平封装（TQFP），文档中提供了详细的封装尺寸和公差信息。同时，还给出了推荐的焊接曲线，包括平均升温速率、预热温度、高于 183 °C 的保持时间、实际峰值温度附近的时间、峰值温度范围、降温速率等参数。需要注意的是，小封装在与较大组件一起回流焊接时可能需要承受更高的温度，并且每个组件最多允许三次回流焊接。

AT91R40807 微控制器凭借其强大的处理器核心、丰富的片上资源、灵活的架构和多样的工作模式，为嵌入式控制应用提供了一个高性能、低功耗、高可靠性的解决方案。无论是在工业控制、通信设备还是其他领域，它都能发挥出色的作用。各位工程师在实际应用中，可以根据具体需求充分利用其特性，实现更加高效、稳定的系统设计。你在使用类似微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。