AT91FR40161微控制器：嵌入式设计的理想之选

在嵌入式系统开发领域，选择一款合适的微控制器至关重要。今天，我们就来深入探讨Atmel公司的AT91FR40161微控制器，了解它的特性、架构、应用以及相关设计要点。

文件下载：AT91FR40161-CI.pdf

一、产品概述

AT91FR40161是Atmel AT91 16/32位微控制器家族的一员，基于ARM7TDMI处理器内核。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。大量内部存储的寄存器使得异常处理速度极快，非常适合实时控制应用。其八层优先级向量中断控制器与外设数据控制器相结合，显著提升了实时设备的性能。

该微控制器将超过1 Mbit的片上SRAM、丰富的外设功能和16 Mbits的Flash存储器集成在一个紧凑的120球BGA封装中，为许多计算密集型嵌入式控制应用提供了强大、灵活且经济高效的解决方案，同时还能显著减小电路板尺寸和降低系统成本。

二、特性亮点

处理器内核与架构

• ARM7TDMI内核：采用ARM7TDMI® ARM® Thumb®处理器内核，具备高性能32位RISC架构和高密度16位指令集，在MIPS/Watt方面表现出色，还集成了嵌入式ICE（在线仿真）功能。
• 双总线架构：由高级系统总线（ASB）和高级外设总线（APB）组成。ASB用于ARM7TDMI处理器与片上32位存储器、外部总线接口（EBI）和AMBA™桥的接口，以实现高性能；APB则用于访问片上外设，优化了功耗。

存储器配置

• SRAM：片内集成136 Kbytes的SRAM，直接连接到32位数据总线，单周期可访问，使用处理器的ARM指令集在33 MHz时可实现30 MIPS的最大性能，降低了系统功耗。
• Flash存储器：拥有1024K字的16位Flash存储器（2M字节），支持单电压读写，具有扇区擦除架构和擦除暂停功能，双平面组织允许同时进行读和编程/擦除操作，还具备数据轮询、切换位和就绪/繁忙程序周期结束检测等特性。此外，还集成了AT91 Flash Uploader软件，方便程序应用软件的上传。
• 外部总线接口（EBI）：可编程的外部总线接口，支持最多八个片选信号，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，采用早期读取协议，可实现比标准存储器接口更快的存储器访问。

外设功能

• 中断控制器：8级优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，包含四个外部中断，其中一个为高优先级低延迟中断请求。
• I/O端口：32个可编程I/O线，可灵活配置为各种外设的输入输出。
• 定时器/计数器：3通道16位定时器/计数器，每个通道有三个外部时钟输入和两个多功能I/O引脚。
• USART：两个USART，每个USART有两个专用的外设数据控制器（PDC）通道，可实现高速同步或异步通信。
• 看门狗定时器：可编程看门狗定时器，可防止软件陷入死锁导致系统锁定。
• 电源管理：具备先进的节能特性，CPU和外设可单独停用，支持0 Hz至33 MHz的内部频率范围（3.0V，85°C），工作电压范围为2.7V至3.6V，温度范围为 -40°C至85°C。

三、引脚配置与功能

AT91FR40161的引脚配置丰富，涵盖了地址总线、数据总线、片选信号、时钟信号、复位信号等多种功能引脚。每个引脚都有明确的功能定义，例如：

• 地址总线（A0 - A23）：用于传输地址信息，复位后有效，注意不要将A20重新编程为I/O，因为它是Flash地址的最高有效位。
• 数据总线（D0 - D15）：用于数据的输入输出。
• 片选信号（NCS0 - NCS3、CS4 - CS7）：用于选择外部设备，有低电平有效和高电平有效之分。

详细的引脚描述和功能说明在文档的表格中进行了清晰的阐述，设计时需要根据具体的应用场景进行合理的引脚分配和连接。

四、工作模式与操作

电源供应与时钟

• 电源：采用单一电源引脚(V_{DD})，为I/O焊盘和内核供电，支持2.7V至3.6V的电压范围。
• 时钟：具有全静态设计，主时钟（MCK）由外部源通过MCKI引脚提供，MCKO引脚可输出主时钟信号，该引脚与通用I/O线复用，需要通过PIO控制器进行编程配置。

复位操作

• NRST引脚复位：NRST为低电平有效输入，异步断言，但退出复位时与MCK内部同步。为确保正确操作，MCKI上的信号在NRST上升沿之前至少10个时钟周期内必须有效，处理器在NRST上升沿后80个时钟周期进行首次取指。
• 看门狗复位：看门狗可编程产生内部复位，效果与NRST引脚断言相同，但不采样BMS和NTRI引脚，不更新启动模式和三态模式。若NRST引脚被断言且看门狗触发内部复位，NRST引脚具有优先级。

仿真功能

• 三态模式：用于调试，可在不拆卸目标板上的器件的情况下连接仿真探头。进入三态模式时，AT91R40807微控制器的所有输出引脚驱动禁用，可通过外部引脚直接访问Flash，便于在板安装前使用标准闪存编程器进行生产闪存编程。进入该模式需在NRST上升沿前的最后十个时钟周期将NTRI引脚保持低电平，正常操作时需通过高达400 kΩ的电阻将NTRI引脚在复位期间保持高电平。
• JTAG/ICE调试：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。在ICE调试模式下，ARM7TDMI内核会响应一个非JTAG芯片ID来识别微控制器，但不完全符合IEEE1149.1标准。

内存控制与启动模式

• 内存控制器：ARM7TDMI处理器地址空间为4 Gbytes，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：最低的四兆字节为内部存储器，中间为EBI控制的外部设备（存储器或外设）预留空间，最高的四兆字节为内部外设空间。ARM7TDMI仅在小端模式下运行。
• 启动模式选择：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个时钟周期的输入电平决定了启动存储器的类型，高电平选择内部32位扩展SRAM，低电平选择NCS0上的外部16位存储器。若要使用嵌入式Flash存储器作为启动存储器，需将BMS输入外部拉低，并将NCS0外部连接到NCSF。
• 重映射命令：ARM向量（复位、中止、数据中止、预取中止、未定义指令、中断、快速中断）从地址0x0映射到地址0x20。通过重映射命令可在启动存储器和内部主SRAM存储体地址之间切换，该命令可通过EBI用户界面写入EBI_RCR（重映射控制寄存器）的RCB来实现。若需要访问其他外部设备（连接到片选1至7），则必须执行重映射命令，且重映射操作只能通过内部复位或NRST断言来恢复。

外部总线接口与Flash操作

• 外部总线接口（EBI）：处理地址0x0040 0000至0xFFC0 0000之间的访问，可生成控制外部设备访问的信号，可配置为八个1兆字节的存储体至四个16兆字节的存储体，支持字节、半字和字对齐访问。用户可对每个存储体的等待状态数、数据浮动时间、数据总线宽度等进行编程，还具有早期读取协议，可显著减少外部设备在单时钟周期访问时的访问时间要求。
• Flash存储器：2 Mbyte的Flash存储器组织为1,048,576个16位字，通过EBI进行寻址，使用地址线A1 - A20。除Flash存储器使能信号外，地址、数据和控制信号在内部互连。用户需将Flash存储器使能（NCSF）连接到EBI上的一个低电平有效片选信号，若Flash存储器用作启动存储器，则必须使用NCS0，且BMS输入必须外部拉低。启动时，EBI需配置正确数量的标准等待状态。Flash存储器具有数据轮询、开放漏极NBUSY输出引脚和切换位功能，可检测程序或擦除周期的结束。它分为两个存储平面，可在一个平面进行程序或擦除操作时从另一个平面进行读取。此外，它还被划分为39个扇区，具有擦除暂停功能，可保护任何扇区的数据，还提供可选的VPP引脚以提高程序/擦除时间。

AT91 Flash Uploader软件

所有基于Flash的AT91设备都预装了AT91 Flash Uploader软件，该软件位于嵌入式Flash的第一个扇区，允许通过串口对嵌入式Flash进行编程，可使用片上的任意一个USART。操作时，需要将嵌入式Flash用作AT91FR40161的启动存储器，并向MCKI提供有效时钟。复位后，Flash Uploader会立即将自身复制到内部SRAM并跳转执行，后续操作仅使用该内存资源，外部访问仅用于对嵌入式Flash进行编程。编程系统通过专有协议发送命令和数据，最后一步需由编程系统擦除并编程Flash的第一个扇区，以降低Flash Uploader被擦除且电源关闭的风险。

外设操作

• 外设寄存器：AT91FR40161的外设连接到32位宽的高级外设总线，外设寄存器仅支持字访问，字节和半字访问将被自动屏蔽最低地址位并生成字访问。每个外设都有16 Kbyte的地址空间（AIC仅有4 Kbyte），常见的外设寄存器包括控制寄存器（写唯一寄存器，写入1触发命令）、模式寄存器（定义外设配置）、数据寄存器（用于处理器与外设之间的数据交换）、状态寄存器（返回外设状态）和启用/禁用/状态寄存器（用于外设中断源的启用和禁用）。
• 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，结果进行或运算以生成中断源信号发送到高级中断控制器。中断掩码可在中断掩码寄存器中读取，并通过中断使能寄存器和中断禁用寄存器进行修改，可使用不可中断的单条指令启用或禁用外设中断源，避免了在AIC或内核级别进行中断屏蔽。
• 外设数据控制器（PDC）：AT91FR40161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通道的用户界面集成在每个USART的内存空间中，包含32位地址指针寄存器（RPR或TPR）和16位传输计数器寄存器（RCR或TCR）。当执行完编程的传输次数后，USART状态寄存器中的传输结束状态位将被设置，并可生成中断。

五、系统与用户外设

系统外设

• 电源管理（PS）：优化功耗，可使软件停止ARM7TDMI时钟（空闲模式），并在模块接收到中断（或复位）时重新启动。还可单独启用和禁用片上外设时钟，以匹配功耗和应用需求。
• 高级中断控制器（AIC）：具有8级优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，驱动ARM7TDMI的NIRQ和NFIQ引脚，可处理外部快速中断线（FIQ）和片上外设的中断信号。具有广泛的可编程性和向量特性，可减少实时中断处理的开销，还具有伪向量检测功能和保护模式，便于调试。
• 并行I/O控制器（PIO）：拥有32个可编程I/O线，其中六个引脚作为通用I/O引脚，其他I/O线与外设的外部信号复用，以优化封装引脚的使用。可在输入变化时生成中断，并在任何PIO引脚插入简单的输入毛刺滤波器。
• 看门狗（WD）：基于16位计数器构建，用于防止软件陷入死锁导致系统锁定，可生成内部复位或中断，或在专用引脚NWDOVF上断言有效电平。所有编程寄存器都受密码保护，以防止意外编程。
• 特殊功能（SF）：提供实现芯片识别、复位状态和保护模式等特殊功能的寄存器。

用户外设

• USART：提供两个相同的全双工通用同步/异步接收器/发送器，每个USART有自己的波特率发生器和两个专用的外设数据控制器通道。数据格式包括起始位、最多8个数据位、可选的可编程奇偶校验位和最多2个停止位，还具有接收器超时寄存器和时间保护寄存器，便于与PDC配合工作和与慢速远程设备接口。
• 定时器/计数器（TC）：包含三个相同的16位定时器/计数器通道，每个通道可独立编程，执行频率测量、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。可在捕获或波形模式下使用，三个计数器通道可同时启动并链接在一起。

六、订购与封装信息

订购信息

AT91FR40161的订购代码为AT91FR40161 - CI，采用BGA 120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120球球栅阵列（BGA）封装，文档中提供了详细的封装图纸和相关尺寸信息，包括球直径、球焊盘、阻焊层开口、镀覆材料、焊球材料、湿度敏感度等级等。同时，还给出了热阻数据、最大重量以及推荐的焊接曲线，设计时需要严格按照这些参数进行电路板设计和焊接操作，以确保器件的性能和可靠性。

七、总结与思考

AT91FR40161微控制器凭借其强大的处理器内核、丰富的存储器配置、多样的外设功能以及灵活的操作模式，为嵌入式系统设计提供了一个全面而强大的解决方案。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的项目需求，合理配置引脚、选择合适的启动模式、优化外设使用，以充分发挥该微控制器的性能优势。同时，对于调试和编程功能的掌握，也有助于提高开发效率和产品的稳定性。

大家在使用AT91FR40161微控制器时，是否遇到过一些独特的问题或有一些巧妙的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。