探索AT91FR40162：高性能ARM微控制器的深度剖析

在电子设计领域，选择一款合适的微控制器对于项目的成功至关重要。今天，我们将深入探讨Atmel公司的AT91FR40162微控制器，了解它的特性、架构以及应用中的注意事项。

文件下载：AT91FR40162-CI.pdf

一、产品概述

AT91FR40162是Atmel AT91 16/32位微控制器家族的一员，基于ARM7TDMI处理器核心。它具有高性能的32位RISC架构和高密度的16位指令集，功耗极低。该微控制器集成了2Mbits的片上SRAM和2Mbytes的闪存，采用121球BGA封装，体积小巧，非常适合空间受限的应用。

二、特性亮点

处理器核心

• 高性能架构：ARM7TDMI处理器核心提供了32位RISC架构，具备16位指令集，在MIPS/Watt方面表现出色。
• 嵌入式ICE：支持嵌入式ICE（在线仿真），方便进行调试。

内存配置

• SRAM：256K字节的片上SRAM，32位数据总线，单时钟周期访问，可提供高达74 MIPs的性能，同时降低功耗和改善EMC。
• 闪存：1024K字的16位闪存（2M字节），具有单电压读写、扇区擦除架构、双平面组织等特性，支持并发读写和擦除操作，还具备擦除暂停功能和低功耗运行。

外设接口

• 外部总线接口（EBI）：完全可编程，最多支持8个片选信号，最大外部地址空间为64M字节，软件可编程8/16位外部数据总线。
• 中断控制器：8级优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，包括4个外部中断，其中一个为高优先级低延迟中断请求。
• I/O接口：32个可编程I/O线，可灵活配置。
• 定时器/计数器：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。
• USART：2个USART，每个USART有2个专用的外设数据控制器（PDC）通道。
• 看门狗定时器：可编程看门狗定时器，可防止系统锁定。

电源管理

• 先进的节能特性：CPU和外设可单独停用，实现完全静态操作，内部频率范围为0 Hz至75 MHz（VDDCORE = 1.8V，85°C）。
• 电源范围：I/O工作电压范围为2.7V至3.6V，核心工作电压范围为1.65V至1.95V，工作温度范围为 -40°C至85°C。

三、引脚配置与说明

引脚配置

AT91FR40162采用121球BGA封装，其引脚配置如图所示。每个引脚都有特定的功能，包括地址总线、数据总线、片选信号、中断信号等。

引脚说明

详细的引脚说明见下表，涵盖了各个模块的引脚功能、类型、有效电平以及相关注释。例如，EBI模块的地址总线A0 - A23用于输出地址信号，数据总线D0 - D15为I/O类型；AIC模块的FIQ为快速中断请求输入等。

Module	Name	Function	Type	Active Level	Comments
EBI	A0 - A23	Address Bus	Output	–	Valid after reset; do not reprogram A20 to I/O, as it is MSB of Flash address
D0 - D15	Data Bus	I/O	–
NCS0 - NCS3	External Chip Select	Output	Low	Used to select external devices
CS4 - CS7	External Chip Select	Output	High	A23 - A20 after reset
NWR0	Lower Byte 0 Write Signal	Output	Low	Used in Byte Write option
NWR1	Upper Byte 1 Write Signal	Output	Low	Used in Byte Write option
NRD	Read Signal	Output	Low	Used in Byte Write option
NWE	Write Enable	Output	Low	Used in Byte Select option
NOE	Output Enable	Output	Low	Used in Byte Select option
NUB	Upper Byte Select	Output	Low	Used in Byte Select option
NLB	Lower Byte Select	Output	Low	Used in Byte Select option
NWAIT	Wait Input	Input	Low
BMS	Boot Mode Select	Input	–	Sampled during reset; must be driven low during reset for Flash to be used as boot memory
AIC	FIQ	Fast Interrupt Request	Input	–	PIO-controlled after reset
IRQ0 - IRQ2	External Interrupt Request	Input	–	PIO-controlled after reset
Timer	TCLK0 - TCLK2	Timer External Clock	Input	–	PIO-controlled after reset
TIOA0 - TIOA2	Multi-purpose Timer I/O Pin A	I/O	–	PIO-controlled after reset
TIOB0 - TIOB2	Multi-purpose Timer I/O Pin B	I/O	–	PIO-controlled after reset
USART	SCK0 - SCK1	External Serial Clock	I/O	–	PIO-controlled after reset
TXD0 - TXD1	Transmit Data Output	Output	–	PIO-controlled after reset
RXD0 - RXD1	Receive Data Input	Input	–	PIO-controlled after reset
PIO	P0 - P31	Parallel IO Line	I/O	–
WD	NWDOVF	Watchdog Overflow	Output	Low	Open drain
Clock	MCKI	Master Clock Input	Input	–	Schmidt trigger
MCKO	Master Clock Output	Output	–
Reset	NRST	Hardware Reset Input	Input	Low	Schmidt trigger
NTRI	Tri-state Mode Select	Input	Low	Sampled during reset
ICE	TMS	Test Mode Select	Input	–	Schmidt trigger, internal pull-up
TDI	Test Data Input	Input	–	Schmidt trigger, internal pull-up
TDO	Test Data Output	Output	–
TCK	Test Clock	Input	–	Schmidt trigger, internal pull-up
Flash Memory	NCSF	Flash Memory Select	Input	Low	Enables Flash Memory when pulled low
NBUSY	Flash Memory Busy Output	Output	Low	Flash RDY/BUSY signal; open-drain
NRSTF	Flash Memory Reset Input	Input	Low	Resets Flash to standard operating mode
Power	VDDIO	Power	Power	–	All V DDIO, V DDCORE and all GND pins MUST be connected to their respective supplies by the shortest route
VDDCORE	Power	Power	–
GND	Ground	Ground	–
VPP (1)	Faster Program/Erase Voltage	Power	–	See AT49BV/LV1604A/1614A (T) 2-Mbyte (1M x 16/2M x 8) 3-volt Only Flash Memory Datasheet

四、架构概述

整体架构

AT91FR40162集成了Atmel的AT91R40008 ARM Thumb处理器和AT49BV1604A/1614A 2-Mbyte闪存芯片，采用121球BGA封装。其架构由先进系统总线（ASB）和先进外设总线（APB）组成。ASB连接ARM7TDMI处理器与片上32位SRAM、外部总线接口（EBI）和AMBA桥，以实现高性能操作；APB则用于访问片上外设，优化了功耗。

内存管理

• 内部SRAM：256K字节的内部SRAM，直接连接32位数据总线，单周期访问，可提供67 MIPS的性能，减少系统功耗。
• 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或16位设备，采用早期读取协议，提高内存访问速度。
• 闪存：2-Mbyte闪存通过EBI访问，支持单访问加载16位Thumb指令，提供独立的MCU和闪存复位输入，集成了AT91 Flash Uploader软件，可将程序应用软件上传到闪存中。

外设集成

• 系统外设：包括EBI、电源管理模块（PS）、高级中断控制器（AIC）、并行输入/输出控制器（PIO）、看门狗（WD）和特殊功能模块（SF）。
• 用户外设：两个独立可配置的USART，支持高速同步或异步通信；3通道16位定时器计数器（TC），可实现多种功能。

五、应用注意事项

电源供应

AT91FR40162有VDDCORE和VDDIO两种电源引脚，分别为芯片核心和I/O线及闪存供电，独立的I/O电源可灵活适应外部组件信号电平。

输入/输出

I/O引脚接受的电压电平最高为VDDIO电源限制，复位后，微控制器外设I/O初始化为输入，建议在应用中保持输入处于有效逻辑电平以降低功耗。

主时钟

采用完全静态设计，主时钟（MCK）由外部源提供在MCKI引脚，MCKO引脚可输出主时钟信号，复位后需通过PIO控制器配置该引脚。

复位

复位可恢复用户接口寄存器的默认状态，使ARM7TDMI从地址零开始执行指令。NRST引脚为低电平有效，异步断言，退出复位与MCK同步；看门狗可编程产生内部复位，但NRST引脚优先级更高。

仿真功能

• 三态模式：用于调试，可在不拆卸设备的情况下连接仿真探头，进入三态模式需在NRST上升沿前10个时钟周期将NTRI引脚拉低。
• JTAG/ICE调试：支持ARM标准的嵌入式在线仿真，通过JTAG/ICE端口进行调试。

内存控制器

• 内部内存：集成256K字节的内部SRAM，支持字节、半字和字访问，可存储更多Thumb指令，提高微控制器性能和降低功耗。
• 引导模式选择：ARM复位向量位于地址0x0，BMS引脚电平决定引导内存类型，若使用嵌入式闪存作为引导内存，需将BMS输入拉低并连接NCS0到NCSF。
• 重映射命令：用于动态重新定义ARM向量，通过EBI用户接口写入重映射控制寄存器（EBI_RCR）的RCB位实现。
• 外部总线接口：处理地址0x0040 0000至0xFFC0 0000之间的访问，可配置不同的等待状态、数据浮动时间、数据总线宽度等，支持早期读取协议。
• 闪存：2-Mbyte闪存采用16位字组织，通过EBI访问，具有数据轮询、切换位和就绪/忙信号检测等功能，支持并发读写和擦除操作，可分段擦除和保护数据。

AT91 Flash Uploader软件

所有基于闪存的AT91设备都预装了AT91 Flash Uploader软件，可通过串口对嵌入式闪存进行编程。该软件需要将封装的闪存作为引导内存，并在MCKI引脚提供有效时钟。

六、订购与封装信息

订购信息

AT91FR40162的订购代码为AT91FR40162 - CI，采用BGA 121封装，适用于工业温度范围（ -40°C至85°C）。

封装信息

该微控制器采用121球BGA封装，具有特定的热阻数据、最大重量和封装特性，如球直径、球焊盘、焊锡掩膜开口等。

焊接规范

推荐的焊接曲线遵循J - STD - 20标准，包括平均升温速率、预热温度、高于183°C的保持时间、峰值温度范围、降温速率等参数。小封装可能需要承受更高的温度，具体的回流条件取决于封装厚度和体积。

七、勘误说明

AT91FR40162存在一些已知问题，如全芯片擦除命令可能无法完全擦除闪存、并发读取功能可能导致闪存访问错误、扇区擦除命令可能无法完全擦除扇区、闪存内存上传器（FMU）在某些批次的高速运行问题以及VPP电压过高可能导致部分扇区擦除失败等。针对这些问题，文档提供了相应的解决方法。

AT91FR40162以其高性能、低功耗和丰富的外设接口，为电子工程师提供了一个强大的解决方案。在设计过程中，充分了解其特性和注意事项，可以确保项目的顺利进行。你在使用AT91FR40162时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。