32位ARM核微处理器芯片PUC2030A及其应用

摘要：介绍了32位ARM核微处理器芯片PUC3030A的结构和特点，分析了其具有竞争力的优异性能，列举了一些可能的应用领域。在某些应用领域，采用PUC3030A方案，系统成本远低于采用8051加扩展芯片的方案。 关键词：ARM7TDMI SOC RISC CPU PUC3030A MP3 英国ARM公司设计的32位RISC ?Reduced Instruction Set ComputerCPU芯核(简称ARM芯核)，具有功耗低、成本低等显著优点? 目前已占有75%以上的32位嵌入式产品市场。而ARM系列芯片即为各个半导体厂家开发的基于ARM芯核的芯片。目前设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过100多家，国内中兴集成电路和华虹等公司也已经购买ARM公司的芯核用于通讯专用芯片和加密IC卡的设计。 PUC3030A是德国Micronas公司开发的基于32位ARM核的高性能低功耗微处理器。采用ARM7TDMI内核，内部集成了USB1.1接口控制器，RTC为带日历和报警功能的实时时钟，内部看门电路，功率管理，加密控制器，256K字节FLASH?56K字节SRAM等。在许多应用领域其系统成本远低于采用8051加扩展芯片的方案。由于Micronas公司及其第三方设计室提供了众多的程序库，加上ARM公司ADS1.2集成开发环境支持C和C++?使得其软件开发也十分容易。因此，PUC3030A将是许多电子产品方案的选择之一。 1 PUC3030A的结构特点及性能指标 PUC3030A的内部功能框图如图1所示。 PUC3030A内部为64MHz ARM7TDMI 32位微处理器，约60MIPS，固定为小模式运行，可以处理MP3、AAC等数字音频的解码和语音的编解码，具有完成一定数据处理分析的功能。PUC3030A内置48KB通用SRAM和256KB Flash RAM。另有存储器保护单元和加密控制器，使其具有很好的程序和数据保密功能。 PUC3030A有内部PLL和功率控制器，使用6MHz外部晶体即可提供64MHz内部工作频率，支持操作、空闲、休眠和关断四种模式。 图1 PUC3030A的内部功能框图 PUC3030A的USB1.1接口支持控制传送、块传送、中断传送和等时传送方式。支持等时传送方式是PUC3030A的USB接口的一大特点，是其它大多数CPU的内嵌USB控制器所不支持的功能。此功能可以支持USB音频和实时数据传输。其USB接口具有8KB FIFO? 也是其它大多数CPU的内嵌USB控制器所不具备的，甚至比许多专用USB控制芯片具备更多的USB数据缓存空间。 PUC3030A具有可灵活设置的中断控制器?每个GPIO都可以被设置成FIQ或IRQ中断，每个GPIO的中断触发方式都可以设置成高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发等四种触发方式，使得指轮盘、红外接收器、键盘扫描等低速信号的处理完全可以处于背景程序中运行，不需要一直占用CPU时间进行扫描检测。 另外，PUC3030A还有I2C主/从接口，66个GPIO，5个同步串行口，主模式最高24M位速率，从模式最高16M位速率，支持SPI、I2S，多个同步串行口使得PUC3030A 特别适用于多通道USB音频产品、LED多屏显示系统、多通道数据采集与控制系统。PUC3030A的2个全功能串行口支持高速红外数据传输(IrDA)。它还有3个32位定时/计数器，内部看门狗定时器，RTC实时时钟带日历和报警功能 ，BGA81封装芯片无此功能。 PUC3030A具有JTAG调试接口，支持Multi-ICE、Trace32和Jeeni等JTAG调试开发工具和ADS、SDT2.5等开发软件，提供了良好的开发环境。 由于PUC3030A具有上述优异性能，在许多应用领域甚至比采用51系列芯片更具有成本优势。这是因为：对于一般的应用，如果采用51芯片，通常需要扩展1片SRAM芯片、1片RTC芯片、1片Flash芯片、2片8255 I/O扩展电路、1片USB控制芯片、1片看门狗电路;除了运算处理速度远低于PUC3030A芯片外，采用51方案的成本远高于PUC3030A;由于布线多、PCB板面积大等问题，使得采用51方案的电路可靠性远低于采用PUC3030A的单芯片方案。 PUC3030A目前提供PQFP100和LFBGA81两种封装形式。PQFP100的封装尺寸为23.2mm%26;#215;17.2mm，LFBGA81的封装尺寸为9mm%26;#215;9mm。后者缺少RTC功能，比前者的GPIO少，适合于PCB面积特别小的场合。 2 PUC3030A具有竞争力的应用领域 2.1 便携式带U盘功能的MP3播放器 由于PUC3030A支持Nand Flash、MMC、SDC、CF卡等多种Flash芯片和Flash卡，并且可以通过GPIO模拟总线方式支持硬盘，因此它最适宜用来开发便携式带U盘功能的MP3播放器。 PUC3030A使用ARM核进行MP3数据的存取和解码。ARM公司提供了解码库，Micronas公司移植到PUC3030A上。操作系统采用Micronas公司专门为便携式MP3播放器设计的实时操作系统，以库文件形式提供。因此，用户只需修改相应的键盘显示程序即可完成产品设计，大大缩短了用户的开发周期，减少人力资源的投入。 2.2 支持长时间录音的数字录音笔 由于PUC3030A支持多种语音压缩格式，如果采用PUC3030A作为数据编解码处理器，再利用其内置的USB1.1接口作为数据传输接口，只需外接一片低成本的语音ADC芯片和一片大容量的Flash或MMC卡即可构成一个支持长时间录音的数字录音笔。PUC3030A内置RTC，可以自动记录每段录音的时间信息。 2.3 基于USB1.1的便携式数据采集系统 由于PUC3030A具有适合于便携式数据采集系统的传输控制和数据处理功能，因此，在采用USB总线供电时，只需外接ADC/DAC和电源管理芯片就可以构成完整的USB数据采集系统。而且，由于PUC3030A具有实时数据无损压缩的能力，在某些应用场合，如数据量大且数据可压缩比大的音频和图像数据的采集系统，可以在低成本的USB1.1标准下实现高保真的传送。 2.4 手持式水表抄表系统 在PUC3030A推出之前， 由笔者承接开发的手持式水表抄表系统，采用了Samsung公司的S3B44X0芯片，需要外部扩展一片USB接口芯片USBN9603、一片BootRom芯片29C040、一片用于提供程序运行空间的外部SDRAM。而改用PUC3030A后， 由于PUC3030A具有上述4种芯片的功能，可以用PUC3030A代替。这样大大减少了PCB板面积，简化了布线工作，显著地提高了系统的可靠性。另外，PUC3030A的系统功耗很低，这个优点尤其适宜电池供电的手持式仪器。 2.5 税控收款机 由于PUC3030A具有良好的程序和数据加密功能，并具有强大的数据处理能力，可以运行数据库。而且，其内部的RTC时钟可以提供每笔收款的时间记录，2个全功能(含RXD、CTS、DSR、DCD、RTS、DTR、RI、TXD)的UART接口可以方便地与各种条码阅读器、磁卡阅读器、IC卡阅读器和Modem等设备连接。 2.6 USB条码阅读器/磁卡阅读机/智能卡读写及指纹识别门锁/考勤机 PUC3030A内置USB接口和RTC，并具有良好的程序和数据加密功能，且系统功耗低，可以构成USB总线供电的单芯片条码阅读器/磁卡阅读机/智能卡读写机及指纹识别门锁/考勤机，不再需要外界电源变压器和串口线等，易于安装和使用。内部RTC可以提供每条记录的时间信息。 2.7 LED多屏显示系统 LED多屏显示系统广泛应用于机场、车站和码头等场合。PUC3030A的高速处理功能和多达5个高速SPI接口，使得它特别适用于LED多屏显示系统。传统的LED显示屏幕，基本上采用8051 8位处理器外加许多扩展芯片构成控制系统。下面以最常见的LED显示屏产品为例，对采用PUC3030A的方案和采用51芯片加扩展芯片的方案作一对比，如表1所示。 表1 采用PUC3030A的方案与采用51芯片加扩展芯片的方案比较 　采用PUC3030A的方案采用51芯片加扩展芯片的方案 CPU PUC3030A 89C52 扩展 SRAM RTC 程序存储器 GPIO 总线扩展 PC通讯内置内置内置内置不需要内置USB 62C256一片 DS12887一片 29C040一片 8255二片 74HC373一片 MAX3232一片 PCB面积 40mm%26;#215;40mm 120mm%26;#215;200mm 布线复杂程度低高 可靠性高低 独立复杂图像处理支持不能独立处理，需PC机协助 其他单一芯片，库存管理和采购工作量小芯片多，库存管理和采购工作量大，总体成本高除了上述应用场合，PUC3030A还可以应用于其他许多领域，尤其是需要带USB接口、Flash、RTC、多同步串口、多异步串口等资源的应用场合。