NXP LH75401/LH75411系統(tǒng)級(jí)芯片：低成本高集成的設(shè)計(jì)之選

引言：NXP收購(gòu)與產(chǎn)品概述

2007年6月1日，NXP從夏普半導(dǎo)體收購(gòu)了LH7xxx ARM微控制器產(chǎn)品線，自此NXP的LH75401/LH75411家族登上電子舞臺(tái)。這是兩款低成本的16/32位系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），在眾多電子設(shè)備設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。它們?cè)谟布O(shè)計(jì)界備受關(guān)注，究竟有何獨(dú)特之處呢？下面我們就來深入了解一下。

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產(chǎn)品特性剖析

通用特性：集成度與性能并存

• 高度集成：這兩款芯片將眾多功能模塊集成于一體，大大節(jié)省了電路板空間，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。像ARM7TDMI - S?內(nèi)核就為芯片提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。
• 高性能：CPU速度可達(dá)84 MHz，其時(shí)鐘可以由內(nèi)部PLL驅(qū)動(dòng)，也能使用外部時(shí)鐘，且支持14 MHz至20 MHz的晶體振蕩器輸入頻率范圍。這使得芯片在不同的時(shí)鐘源配置下都能穩(wěn)定且高效地工作。
• 豐富內(nèi)存：片上擁有32 kB SRAM，其中包括16 kB緊密耦合內(nèi)存（TCM）SRAM和16 kB內(nèi)部SRAM。TCM能讓處理器快速訪問數(shù)據(jù)，提升了系統(tǒng)整體性能。
• 低功耗管理：具備多種低功耗模式，如待機(jī)、睡眠、停止模式。這對(duì)于一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如便攜式設(shè)備，無疑是非常有吸引力的特性。
• 豐富接口：擁有八通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、集成觸摸屏控制器、多種串行接口（如UART、同步串口）等，還配備實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、三個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、看門狗定時(shí)器（WDT）等，為各種應(yīng)用提供了全面的接口支持。

獨(dú)特特性：差異化功能亮點(diǎn)

• LH75401：具備彩色和灰度液晶顯示（LCD）控制器，支持多種色彩模式和顯示分辨率，最高可達(dá)VGA。同時(shí)還擁有支持CAN version 2.0B的CAN控制器，適用于需要進(jìn)行CAN總線通信的工業(yè)控制等領(lǐng)域。
• LH75411：與LH75401類似，同樣具備彩色和灰度LCD控制器，但沒有CAN 2.0B控制器，適合對(duì)CAN通信需求不大的應(yīng)用場(chǎng)景。

技術(shù)架構(gòu)詳解

處理器核心與總線架構(gòu)

這兩款芯片采用ARM7TDMI - S核心，搭配先進(jìn)的高性能總線（AHB）2.0接口，屬于ARM7 Thumb處理器家族的成員。芯片內(nèi)部使用ARM高級(jí)微控制器總線架構(gòu)（AMBA）2.0內(nèi)部總線協(xié)議，有三個(gè)AHB主設(shè)備控制對(duì)外部?jī)?nèi)存和片上外設(shè)的訪問。ARM處理器負(fù)責(zé)指令提取和數(shù)據(jù)傳輸，直接內(nèi)存訪問控制器（DMAC）負(fù)責(zé)內(nèi)存與內(nèi)存、外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，LCDC則從外部或內(nèi)部?jī)?nèi)存中獲取數(shù)據(jù)刷新LCD面板。這種架構(gòu)使得各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸高效有序，提升了系統(tǒng)整體性能。

電源與時(shí)鐘管理

芯片采用5V容忍的3.3V I/O，僅需單一3.3V電源供電。核心邏輯需要1.8V電源，可由片上線性穩(wěn)壓器提供，也可外部供電以實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)速度。時(shí)鐘源方面，芯片可以選擇兩個(gè)晶體振蕩器或外部時(shí)鐘信號(hào)。有兩個(gè)時(shí)鐘樹，一個(gè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部PLL和三個(gè)UART，另一個(gè)32.768 kHz振蕩器為RTC提供1 Hz時(shí)鐘。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器波特率，建議使用14.7456 MHz的振蕩器頻率。并且PLL可以被旁路，使用外部時(shí)鐘信號(hào)輸入。

復(fù)位與仲裁機(jī)制

芯片有外部和內(nèi)部?jī)煞N復(fù)位方式。外部復(fù)位信號(hào)有nPOR和nRESETIN，nPOR用于上電復(fù)位，nRESETIN可將除JTAG電路外的內(nèi)部寄存器設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)。內(nèi)部復(fù)位包括系統(tǒng)復(fù)位和RTC復(fù)位，可由外部復(fù)位信號(hào)、內(nèi)部看門狗定時(shí)器或軟復(fù)位觸發(fā)，復(fù)位延遲取決于PLL鎖定狀態(tài)。在AHB主設(shè)備優(yōu)先級(jí)和仲裁方面，三個(gè)AHB主設(shè)備（ARM處理器、DMAC、LCD控制器）都有固定的優(yōu)先級(jí)，其中彩色LCDC優(yōu)先級(jí)最高，DMAC次之，ARM7TDMI - S核心最低。

內(nèi)存接口架構(gòu)

芯片片上提供了豐富的數(shù)據(jù)路徑管理資源，如AHB和APB數(shù)據(jù)總線、16 kB的零等待狀態(tài)TCM SRAM、16 kB的內(nèi)部SRAM、靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）和4流通用DMAC。所有系統(tǒng)資源都是內(nèi)存映射的，內(nèi)存映射分區(qū)有三種視圖，基于重置、時(shí)鐘和電源控制器（RCPC）中的REMAP位設(shè)置。外部?jī)?nèi)存段分為八個(gè)64 MB的部分，其中前四個(gè)部分使用，每個(gè)部分都有一個(gè)片選信號(hào)。

外設(shè)模塊功能

靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器控制器（SRAM）

芯片擁有32 kB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，分為兩個(gè)16 kB的塊，分別是可供處理器訪問的TCM 0等待狀態(tài)SRAM和可通過處理器、DMAC和LCDC訪問的內(nèi)部SRAM。每個(gè)內(nèi)存段為512 MB，但實(shí)際TCM和內(nèi)部SRAM大小均為16 kB，超出部分會(huì)映射到較低的16 kB，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)或預(yù)取錯(cuò)誤。

靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）

SMC是一個(gè)AMBA AHB從外設(shè)，為芯片和外部?jī)?nèi)存設(shè)備提供接口。它提供四個(gè)外部?jī)?nèi)存庫(kù)，每個(gè)最大為16 MB，支持多種內(nèi)存映射設(shè)備，如RAM、ROM、Flash等，支持8位和16位的外部總線和設(shè)備寬度，還支持異步突發(fā)模式讀取訪問和通過外部硬件引腳實(shí)現(xiàn)無限擴(kuò)展等待狀態(tài)。

直接內(nèi)存訪問控制器（DMAC）

一個(gè)中央DMAC為所有支持DMA的外設(shè)服務(wù)，有四個(gè)數(shù)據(jù)流，可用于處理外設(shè)到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)以及內(nèi)存到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸。它有三種傳輸模式，內(nèi)置數(shù)據(jù)流仲裁器，每個(gè)流有七個(gè)可編程寄存器，并且能夠通過中斷指示傳輸錯(cuò)誤。

彩色LCD控制器（CLCDC）

CLCDC是一個(gè)AMBA主從模塊，連接到AHB，可將像素編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)單/雙單色和彩色LCD面板所需的格式和時(shí)序。它支持多種類型的LCD面板，如STN、TFT等，具備可編程分辨率和先進(jìn)的LCD接口，還可在不需要LCDC時(shí)將其輸出用作通用輸入/輸出（GPIO）。

通用異步收發(fā)器（UARTs）

芯片包含三個(gè)UART，UART0和UART1功能類似于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16C550，支持高達(dá)921,600波特的波特率，具有全雙工操作、獨(dú)立的發(fā)送和接收FIFO等功能。UART2類似于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的82510，支持高達(dá)3,225,600波特的波特率，功能更加豐富。

定時(shí)器與RTC

芯片有三個(gè)16位定時(shí)器，由系統(tǒng)時(shí)鐘或內(nèi)部縮放時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，可用于脈沖寬度調(diào)制（PWM）和比較功能。定時(shí)器支持捕獲和比較功能，并能產(chǎn)生中斷。實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）是一個(gè)AMBA從模塊，提供基本的報(bào)警功能或作為長(zhǎng)時(shí)間基計(jì)數(shù)器，可在計(jì)數(shù)達(dá)到編程周期數(shù)后產(chǎn)生中斷信號(hào)。

CAN控制器與ADC

CAN 2.0B控制器是一個(gè)符合AMBA標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，用于串行通信，支持11位和29位標(biāo)識(shí)符，最高速率可達(dá)1 Mbit/s，具備多種功能，如接收FIFO、軟件驅(qū)動(dòng)的比特率檢測(cè)等。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一個(gè)8通道、10位的轉(zhuǎn)換器，集成了觸摸屏控制器，還具備欠壓檢測(cè)器，可在電源電壓下降時(shí)中斷處理器核心。

同步串口（SSP）

SSP是一個(gè)僅支持主模式的接口，用于與具有Motorola SPI、National Semiconductor Microwire或Texas Instruments SSI兼容接口的從外設(shè)進(jìn)行同步串行通信。它支持中斷驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸，可編程時(shí)鐘比特率和數(shù)據(jù)幀大小。

看門狗定時(shí)器（WDT）

WDT由一個(gè)32位的遞減計(jì)數(shù)器組成，可選擇超時(shí)時(shí)間間隔來檢測(cè)故障。定時(shí)器必須定期由軟件重置，否則會(huì)觸發(fā)中斷，若中斷未在超時(shí)內(nèi)處理，將觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。

向量中斷控制器（VIC）

所有內(nèi)部和外部中斷都路由到VIC，由硬件確定中斷優(yōu)先級(jí)，并生成相應(yīng)的信號(hào)給處理器。VIC支持32個(gè)中斷源，可分為16個(gè)向量中斷和16個(gè)或更多默認(rèn)向量中斷。

重置、時(shí)鐘和電源控制器（RCPC）

RCPC允許用戶通過AMBA APB接口控制系統(tǒng)復(fù)位、時(shí)鐘、電源管理和外部中斷調(diào)節(jié)。它管理五種電源模式以最小化功耗，生成各種時(shí)鐘信號(hào)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、UART時(shí)鐘、RTC時(shí)鐘等，還能生成系統(tǒng)和RTC復(fù)位信號(hào)，配置外部中斷并轉(zhuǎn)換為VIC所需的高電平觸發(fā)中斷輸出。

電氣特性與應(yīng)用建議

電氣規(guī)格

芯片有明確的絕對(duì)最大額定值和推薦工作條件，如DC核心電源電壓、DC I/O電源電壓、DC模擬電源電壓等都有相應(yīng)的取值范圍。在不同溫度和電壓條件下，時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘周期也有具體的要求。例如，在25°C時(shí)，不同的DC核心電源電壓對(duì)應(yīng)著不同的最大時(shí)鐘頻率。

應(yīng)用建議

在非常低的工作溫度下，為了提高芯片時(shí)鐘輸入的抗噪聲能力，NXP建議使用外部振蕩器而不是晶體來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘輸入。在電源供應(yīng)方面，使用外部1.8V電源時(shí)，必須先為其通電，再接通3.3V電源，否則兩者時(shí)間差不能超過10 μs，且在電源上升過程中，兩者電壓差需在1.5V以內(nèi)。此外，雖然芯片內(nèi)部有線性穩(wěn)壓器，但不建議使用其輸出為外部設(shè)備供電，以免影響調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性和引入噪聲。

總結(jié)

NXP的LH75401/LH75411系統(tǒng)級(jí)芯片以其高度集成、高性能、低功耗等特點(diǎn)，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的設(shè)計(jì)平臺(tái)。無論是在工業(yè)控制、消費(fèi)電子還是其他領(lǐng)域，這兩款芯片都能發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中應(yīng)該充分了解芯片的各項(xiàng)特性和技術(shù)細(xì)節(jié)，合理應(yīng)用這些芯片，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)、更高效的電子設(shè)備設(shè)計(jì)。讀者朋友們，在你們的項(xiàng)目中有沒有使用過類似的芯片呢？有沒有遇到過一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。