Микроконтроллеры ARM7 семейства LPC2000
В настоящее время особой популярностью у разработчиков электронных устройств пользуются так называемые встраиваемые микроконтроллеры. В мире выпускается большое количество семейств микроконтроллеров, в основном на базе приборов с 8-битной" шиной данных и процессорными RISC- и CISC-ядрами. Их производительность и объем памяти вполне достаточны для решения множества бытовых и промышленных задач, а архитектура ядер многих из этих семейств хорошо изучена пользователями. Для 8-битных микроконтроллеров написано огромное количество программ, которые, наряду с многочисленными русифицированными описаниями самих этих устройств, свободно доступны в сети Интернет.
16- и 32-битные микроконтроллеры, которые обеспечивают более высокую производительность, пока распространены не столь широко. Их применение обусловлено повышенной сложностью решаемых задач, жесткими требованиями к производительности встраиваемых контроллеров управления, необходимостью иметь в электронных устройствах развитые пользовательские интерфейсы, предназначенные для отображения информации, управления, индикации и т.д. Типичные для 16- и 32-битных микроконтроллеров приложения (сотовые телефоны, дисководы, модемы и т. п.) предъявляют к встраиваемым управляющим контроллерам непрерывно возрастающие требования. Особенно важно обеспечить их высокую эффективность, сохранив при этом низкую стоимость, отличавшую 8-битные микроконтроллеры.
Значительных успехов в области создании 16/32-битных микропроцессорных (микроконтроллерных) ядер добилась британская фирма Advanced RISC Machines (ARM), специализирующаяся на разработке микропроцессоров и периферии к ним, и продающая лицензии на их производство другим фирмам-производителям. 32-битные микроконтроллеры, использующие процессорное ядро с архитектурой ARM, приобрели широкую популярность у разработчиков. Благодаря высокой производительности и выгодному соотношению «цена/качество», микроконтроллеры с ядром ARM представляются многим потребителям элементной базы весьма перспективными. Фактически, микроконтроллеры с ядром ARM сегодня выделились в отдельный класс встраиваемых контроллеров — ARM-контроллеров.
Фирма ARM, являясь разработчиком процессорных ядер, не имеет собственного полупроводникового производства и не поставляет готовых кристаллов. Ядра поставляются заказчикам — производителям микросхем — в форме поведенческого описания на языке VHDL или Verilog (такие ядра называются синтезируемыми), в виде электрической схемы процессорного ядра или в виде топологической макроячейки (описания топологии ядра для реализации в составе интегральной микросхемы). Используя выбранную форму представления ядра, производители элементной базы создают различные модели микроконтроллеров, дополняя процессорное ядро набором периферийных устройств. При производстве микроконтроллеров используется современная нанотехнология, обеспечивающая минимальные размеры элементов транзисторной структуры микропроцессора 0.25,0.18 или 0.13 мкм.
«Кремниевыми» партнерами фирмы ARM, т. е. компаниями, которые используют ее разработки при создании своих приборов, являются такие производители элементной базы, как Alcatel, Atmel, Asahi Kasei Microsystems, Cirrus Logic, Digital, GEC Plessey, Hyundai, Lucent, Lucky GoldStar, NEC, OKI, Philips, Rockwell, Rohm, Samsung, Sharp, Sony, Symbios, Texas Instruments, VLSI, Yamaha. Некоторые из них применяют разработанные фирмой ARM процессоры для решения специальных задач, но чаше всего они используются в устройствах, предназначенных для массового применения (мобильные телефоны, системы управления автомобильными двигателями, лазерные принтеры и т. д.). Пользователь — разработчик аппаратуры — имеет дело с процессорными ядрами ARM, функционирующими в составе готовой микросхемы микроконтроллеров перечисленных производителей.
Процессоры ARM поддерживаются многими программными продуктами как самой компании, так и других производителей. Среди этих продуктов, которые образовали солидную инфраструктуру программного обеспечения и средств разработки, — отладчики, компиляторы C/C++, внутрисхемные эмуляторы, таблицы разработки, операционные системы реального времени, драйверы низкого уровня, а также программные приложения высокого уровня. Фирмы Accelerated Technology, Enea OSE Systems, ISI, JavaSoft, JMI, Microtec. Microsoft, Perihelion, Psion, Wind River и другие компании обеспечивают совместимость своих ОС и средств разработки с процессорами ARM.
Фирмой ARM разработан целый ряд 32-битных RISC-процессоров с различными возможностями и различной производительностью, а ядро ARM7, разработанное еще в 1994 году, используется до настоящего времени. Сама фирма определяет процессор ARM7 как универсальное ядро 32-битного RISC-микропроцессора с малым энергопотреблением, предназначенное для использования в различных заказных и специальных ИС. Малые размеры RISC-ядра позволяют успешно интегрировать его в большие заказные схемы, которые могут содержать RAM, ROM (Flash), DSP, дополнительную логику и другие элементы.
К областям применения ядра ARM7 фирма-производитель относит:
Пришедшее на смену ARM6 THUMB семейство ядер ARM7 THUMB разработано на основе 32-битной целочисленной RISC-архитектуры и обеспечивает максимальную производительность до 130 MIPS. Удельная производительность ядра ARM7 THUMB, изготовленного по 0.18-мкм технологии, составляет 0.9...1.0 MIPS/МГц тактовой частоты, а энергопотребление составляет не более 0.39...0.40 мВт/МГц. Ядро ARM7TDMI-S, о котором пойдет речь в книге, является синтезируемым.
Все ядра семейства ARM7 THUMB имеют традиционную архитектуру фон Неймана с обшей памятью команд и данных. В последующих семействах ARM9 и ARM 10 реализуется гарвардская архитектура с раздельной внутренней кэшпамятью команд и данных.
Один из «кремниевых» партнеров ARM, корпорация NXP (до 2006 г. она называлась Philips Semiconductors), выпускает широкую номенклатуру 16/32-битных микроконтроллеров с ядром ARM7TDMI-S — семейство LPC2000. Эти устройства имеют весьма привлекательное для потребителей соотношение «цена/качество» и обеспечивают производительность в десятки MIPS.