NXP LH75401/LH75411系统级芯片：低成本高集成的设计之选

引言：NXP收购与产品概述

2007年6月1日，NXP从夏普半导体收购了LH7xxx ARM微控制器产品线，自此NXP的LH75401/LH75411家族登上电子舞台。这是两款低成本的16/32位系统级芯片（SoC），在众多电子设备设计中发挥着重要作用。它们在硬件设计界备受关注，究竟有何独特之处呢？下面我们就来深入了解一下。

文件下载：LH75411N0Q100C0;55.pdf

产品特性剖析

通用特性：集成度与性能并存

• 高度集成：这两款芯片将众多功能模块集成于一体，大大节省了电路板空间，降低了设计复杂度。像ARM7TDMI - S™内核就为芯片提供了强大的计算能力。
• 高性能：CPU速度可达84 MHz，其时钟可以由内部PLL驱动，也能使用外部时钟，且支持14 MHz至20 MHz的晶体振荡器输入频率范围。这使得芯片在不同的时钟源配置下都能稳定且高效地工作。
• 丰富内存：片上拥有32 kB SRAM，其中包括16 kB紧密耦合内存（TCM）SRAM和16 kB内部SRAM。TCM能让处理器快速访问数据，提升了系统整体性能。
• 低功耗管理：具备多种低功耗模式，如待机、睡眠、停止模式。这对于一些对功耗要求较高的应用场景，如便携式设备，无疑是非常有吸引力的特性。
• 丰富接口：拥有八通道10位模数转换器、集成触摸屏控制器、多种串行接口（如UART、同步串口）等，还配备实时时钟（RTC）、三个计数器/定时器、看门狗定时器（WDT）等，为各种应用提供了全面的接口支持。

独特特性：差异化功能亮点

• LH75401：具备彩色和灰度液晶显示（LCD）控制器，支持多种色彩模式和显示分辨率，最高可达VGA。同时还拥有支持CAN version 2.0B的CAN控制器，适用于需要进行CAN总线通信的工业控制等领域。
• LH75411：与LH75401类似，同样具备彩色和灰度LCD控制器，但没有CAN 2.0B控制器，适合对CAN通信需求不大的应用场景。

技术架构详解

处理器核心与总线架构

这两款芯片采用ARM7TDMI - S核心，搭配先进的高性能总线（AHB）2.0接口，属于ARM7 Thumb处理器家族的成员。芯片内部使用ARM高级微控制器总线架构（AMBA）2.0内部总线协议，有三个AHB主设备控制对外部内存和片上外设的访问。ARM处理器负责指令提取和数据传输，直接内存访问控制器（DMAC）负责内存与内存、外设与内存之间的数据传输，LCDC则从外部或内部内存中获取数据刷新LCD面板。这种架构使得各个模块之间的数据传输高效有序，提升了系统整体性能。

电源与时钟管理

芯片采用5V容忍的3.3V I/O，仅需单一3.3V电源供电。核心逻辑需要1.8V电源，可由片上线性稳压器提供，也可外部供电以实现更高系统速度。时钟源方面，芯片可以选择两个晶体振荡器或外部时钟信号。有两个时钟树，一个驱动内部PLL和三个UART，另一个32.768 kHz振荡器为RTC提供1 Hz时钟。为了实现调制解调器波特率，建议使用14.7456 MHz的振荡器频率。并且PLL可以被旁路，使用外部时钟信号输入。

复位与仲裁机制

芯片有外部和内部两种复位方式。外部复位信号有nPOR和nRESETIN，nPOR用于上电复位，nRESETIN可将除JTAG电路外的内部寄存器设置为默认状态。内部复位包括系统复位和RTC复位，可由外部复位信号、内部看门狗定时器或软复位触发，复位延迟取决于PLL锁定状态。在AHB主设备优先级和仲裁方面，三个AHB主设备（ARM处理器、DMAC、LCD控制器）都有固定的优先级，其中彩色LCDC优先级最高，DMAC次之，ARM7TDMI - S核心最低。

内存接口架构

芯片片上提供了丰富的数据路径管理资源，如AHB和APB数据总线、16 kB的零等待状态TCM SRAM、16 kB的内部SRAM、静态内存控制器（SMC）和4流通用DMAC。所有系统资源都是内存映射的，内存映射分区有三种视图，基于重置、时钟和电源控制器（RCPC）中的REMAP位设置。外部内存段分为八个64 MB的部分，其中前四个部分使用，每个部分都有一个片选信号。

外设模块功能

静态随机存取存储器控制器（SRAM）

芯片拥有32 kB的静态随机存取存储器，分为两个16 kB的块，分别是可供处理器访问的TCM 0等待状态SRAM和可通过处理器、DMAC和LCDC访问的内部SRAM。每个内存段为512 MB，但实际TCM和内部SRAM大小均为16 kB，超出部分会映射到较低的16 kB，不会导致数据或预取错误。

静态内存控制器（SMC）

SMC是一个AMBA AHB从外设，为芯片和外部内存设备提供接口。它提供四个外部内存库，每个最大为16 MB，支持多种内存映射设备，如RAM、ROM、Flash等，支持8位和16位的外部总线和设备宽度，还支持异步突发模式读取访问和通过外部硬件引脚实现无限扩展等待状态。

直接内存访问控制器（DMAC）

一个中央DMAC为所有支持DMA的外设服务，有四个数据流，可用于处理外设到内存、内存到外设以及内存到内存的数据传输。它有三种传输模式，内置数据流仲裁器，每个流有七个可编程寄存器，并且能够通过中断指示传输错误。

彩色LCD控制器（CLCDC）

CLCDC是一个AMBA主从模块，连接到AHB，可将像素编码数据转换为驱动单/双单色和彩色LCD面板所需的格式和时序。它支持多种类型的LCD面板，如STN、TFT等，具备可编程分辨率和先进的LCD接口，还可在不需要LCDC时将其输出用作通用输入/输出（GPIO）。

通用异步收发器（UARTs）

芯片包含三个UART，UART0和UART1功能类似于行业标准的16C550，支持高达921,600波特的波特率，具有全双工操作、独立的发送和接收FIFO等功能。UART2类似于行业标准的82510，支持高达3,225,600波特的波特率，功能更加丰富。

定时器与RTC

芯片有三个16位定时器，由系统时钟或内部缩放时钟驱动，可用于脉冲宽度调制（PWM）和比较功能。定时器支持捕获和比较功能，并能产生中断。实时时钟（RTC）是一个AMBA从模块，提供基本的报警功能或作为长时间基计数器，可在计数达到编程周期数后产生中断信号。

CAN控制器与ADC

CAN 2.0B控制器是一个符合AMBA标准的外设，用于串行通信，支持11位和29位标识符，最高速率可达1 Mbit/s，具备多种功能，如接收FIFO、软件驱动的比特率检测等。模数转换器（ADC）是一个8通道、10位的转换器，集成了触摸屏控制器，还具备欠压检测器，可在电源电压下降时中断处理器核心。

同步串口（SSP）

SSP是一个仅支持主模式的接口，用于与具有Motorola SPI、National Semiconductor Microwire或Texas Instruments SSI兼容接口的从外设进行同步串行通信。它支持中断驱动的数据传输，可编程时钟比特率和数据帧大小。

看门狗定时器（WDT）

WDT由一个32位的递减计数器组成，可选择超时时间间隔来检测故障。定时器必须定期由软件重置，否则会触发中断，若中断未在超时内处理，将触发系统复位。

向量中断控制器（VIC）

所有内部和外部中断都路由到VIC，由硬件确定中断优先级，并生成相应的信号给处理器。VIC支持32个中断源，可分为16个向量中断和16个或更多默认向量中断。

重置、时钟和电源控制器（RCPC）

RCPC允许用户通过AMBA APB接口控制系统复位、时钟、电源管理和外部中断调节。它管理五种电源模式以最小化功耗，生成各种时钟信号，包括系统时钟、UART时钟、RTC时钟等，还能生成系统和RTC复位信号，配置外部中断并转换为VIC所需的高电平触发中断输出。

电气特性与应用建议

电气规格

芯片有明确的绝对最大额定值和推荐工作条件，如DC核心电源电压、DC I/O电源电压、DC模拟电源电压等都有相应的取值范围。在不同温度和电压条件下，时钟频率和时钟周期也有具体的要求。例如，在25°C时，不同的DC核心电源电压对应着不同的最大时钟频率。

应用建议

在非常低的工作温度下，为了提高芯片时钟输入的抗噪声能力，NXP建议使用外部振荡器而不是晶体来驱动系统时钟输入。在电源供应方面，使用外部1.8V电源时，必须先为其通电，再接通3.3V电源，否则两者时间差不能超过10 μs，且在电源上升过程中，两者电压差需在1.5V以内。此外，虽然芯片内部有线性稳压器，但不建议使用其输出为外部设备供电，以免影响调节器稳定性和引入噪声。

总结

NXP的LH75401/LH75411系统级芯片以其高度集成、高性能、低功耗等特点，为电子工程师提供了一个强大而灵活的设计平台。无论是在工业控制、消费电子还是其他领域，这两款芯片都能发挥出各自的优势。作为电子工程师，我们在设计过程中应该充分了解芯片的各项特性和技术细节，合理应用这些芯片，以实现更优质、更高效的电子设备设计。读者朋友们，在你们的项目中有没有使用过类似的芯片呢？有没有遇到过一些独特的设计挑战呢？欢迎在评论区分享交流。