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32位ARM核微處理器芯片PUC2030A及其應用
摘要：介紹了３２位ＡＲＭ核微處理器芯片ＰＵＣ３０３０Ａ的結構和特點，分析了其具有競爭力的優(yōu)異性能，列舉了一些可能的應用領域。在某些應用領域，采用ＰＵＣ３０３０Ａ方案，系統(tǒng)成本遠低于采用８０５１加擴展芯片的方案。關鍵詞：ARM7TDMI SOC RISC CPU PUC3030A MP3
英國ＡＲＭ公司設計的３２位ＲＩＳＣ ?Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?ＣＰＵ芯核（簡稱ＡＲＭ芯核），具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點? 目前已占有７５％以上的３２位嵌入式產(chǎn)品市場。而ＡＲＭ系列芯片即為各個半導體廠家開發(fā)的基于ＡＲＭ芯核的芯片。目前設計、生產(chǎn)ＡＲＭ芯片的國際大公司已經(jīng)超過１００多家，國內(nèi)中興集成電路和華虹等公司也已經(jīng)購買ＡＲＭ公司的芯核用于通訊專用芯片和加密ＩＣ卡的設計。
ＰＵＣ３０３０Ａ是德國Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司開發(fā)的基于３２位ＡＲＭ核的高性能低功耗微處理器。采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ內(nèi)核，內(nèi)部集成了ＵＳＢ１．１接口控制器，ＲＴＣ為帶日歷和報警功能的實時時鐘，內(nèi)部看門電路，功率管理，加密控制器，２５６Ｋ字節(jié)ＦＬＡＳＨ?５６Ｋ字節(jié)ＳＲＡＭ等。在許多應用領域其系統(tǒng)成本遠低于采用８０５１加擴展芯片的方案。由于Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司及其第三方設計室提供了眾多的程序庫，加上ＡＲＭ公司ＡＤＳ１．２集成開發(fā)環(huán)境支持Ｃ和Ｃ＋＋?使得其軟件開發(fā)也十分容易。因此，ＰＵＣ３０３０Ａ將是許多電子產(chǎn)品方案的選擇之一。
１ ＰＵＣ３０３０Ａ的結構特點及性能指標
ＰＵＣ３０３０Ａ的內(nèi)部功能框圖如圖１所示。
ＰＵＣ３０３０Ａ內(nèi)部為６４ＭＨｚ ＡＲＭ７ＴＤＭＩ ３２位微處理器，約６０ＭＩＰＳ，固定為小模式運行，可以處理ＭＰ３、ＡＡＣ等數(shù)字音頻的解碼和語音的編解碼，具有完成一定數(shù)據(jù)處理分析的功能。ＰＵＣ３０３０Ａ內(nèi)置４８ＫＢ通用ＳＲＡＭ和２５６ＫＢ Ｆｌａｓｈ ＲＡＭ。另有存儲器保護單元和加密控制器，使其具有很好的程序和數(shù)據(jù)保密功能。
ＰＵＣ３０３０Ａ有內(nèi)部ＰＬＬ和功率控制器，使用６ＭＨｚ外部晶體即可提供６４ＭＨｚ內(nèi)部工作頻率，支持操作、空閑、休眠和關斷四種模式。
圖1 PUC3030A的內(nèi)部功能框圖
ＰＵＣ３０３０Ａ的ＵＳＢ１．１接口支持控制傳送、塊傳送、中斷傳送和等時傳送方式。支持等時傳送方式是ＰＵＣ３０３０Ａ的ＵＳＢ接口的一大特點，是其它大多數(shù)ＣＰＵ的內(nèi)嵌ＵＳＢ控制器所不支持的功能。此功能可以支持ＵＳＢ音頻和實時數(shù)據(jù)傳輸。其ＵＳＢ接口具有８ＫＢ ＦＩＦＯ? 也是其它大多數(shù)ＣＰＵ的內(nèi)嵌ＵＳＢ控制器所不具備的，甚至比許多專用ＵＳＢ控制芯片具備更多的ＵＳＢ數(shù)據(jù)緩存空間。
ＰＵＣ３０３０Ａ具有可靈活設置的中斷控制器?每個ＧＰＩＯ都可以被設置成ＦＩＱ或ＩＲＱ中斷，每個ＧＰＩＯ的中斷觸發(fā)方式都可以設置成高電平觸發(fā)、低電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)等四種觸發(fā)方式，使得指輪盤、紅外接收器、鍵盤掃描等低速信號的處理完全可以處于背景程序中運行，不需要一直占用ＣＰＵ時間進行掃描檢測。
另外，ＰＵＣ３０３０Ａ還有Ｉ２Ｃ主／從接口，６６個ＧＰＩＯ，５個同步串行口，主模式最高２４Ｍ位速率，從模式最高１６Ｍ位速率，支持ＳＰＩ、Ｉ２Ｓ，多個同步串行口使得ＰＵＣ３０３０Ａ 特別適用于多通道ＵＳＢ音頻產(chǎn)品、ＬＥＤ多屏顯示系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。ＰＵＣ３０３０Ａ的２個全功能串行口支持高速紅外數(shù)據(jù)傳輸（ＩｒＤＡ）。它還有３個３２位定時／計數(shù)器，內(nèi)部看門狗定時器，ＲＴＣ實時時鐘帶日歷和報警功能 ，ＢＧＡ８１封裝芯片無此功能。
ＰＵＣ３０３０Ａ具有ＪＴＡＧ調(diào)試接口，支持Ｍｕｌｔｉ－ＩＣＥ、Ｔｒａｃｅ３２和Ｊｅｅｎｉ等ＪＴＡＧ調(diào)試開發(fā)工具和ＡＤＳ、ＳＤＴ２．５等開發(fā)軟件，提供了良好的開發(fā)環(huán)境。
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有上述優(yōu)異性能，在許多應用領域甚至比采用５１系列芯片更具有成本優(yōu)勢。這是因為：對于一般的應用，如果采用５１芯片，通常需要擴展１片ＳＲＡＭ芯片、１片ＲＴＣ芯片、１片Ｆｌａｓｈ芯片、２片８２５５ Ｉ／Ｏ擴展電路、１片ＵＳＢ控制芯片、１片看門狗電路；除了運算處理速度遠低于ＰＵＣ３０３０Ａ芯片外，采用５１方案的成本遠高于ＰＵＣ３０３０Ａ；由于布線多、ＰＣＢ板面積大等問題，使得采用５１方案的電路可靠性遠低于采用ＰＵＣ３０３０Ａ的單芯片方案。
ＰＵＣ３０３０Ａ目前提供ＰＱＦＰ１００和ＬＦＢＧＡ８１兩種封裝形式。ＰＱＦＰ１００的封裝尺寸為２３．２ｍｍ×１７．２ｍｍ，ＬＦＢＧＡ８１的封裝尺寸為９ｍｍ×９ｍｍ。后者缺少ＲＴＣ功能，比前者的ＧＰＩＯ少，適合于ＰＣＢ面積特別小的場合。
２ ＰＵＣ３０３０Ａ具有競爭力的應用領域
２．１ 便攜式帶Ｕ盤功能的ＭＰ３播放器
由于ＰＵＣ３０３０Ａ支持Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ、ＭＭＣ、ＳＤＣ、ＣＦ卡等多種Ｆｌａｓｈ芯片和Ｆｌａｓｈ卡，并且可以通過ＧＰＩＯ模擬總線方式支持硬盤，因此它最適宜用來開發(fā)便攜式帶Ｕ盤功能的ＭＰ３播放器。
ＰＵＣ３０３０Ａ使用ＡＲＭ核進行ＭＰ３數(shù)據(jù)的存取和解碼。ＡＲＭ公司提供了解碼庫，Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司移植到ＰＵＣ３０３０Ａ上。操作系統(tǒng)采用Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司專門為便攜式ＭＰ３播放器設計的實時操作系統(tǒng)，以庫文件形式提供。因此，用戶只需修改相應的鍵盤顯示程序即可完成產(chǎn)品設計，大大縮短了用戶的開發(fā)周期，減少人力資源的投入。
２．２ 支持長時間錄音的數(shù)字錄音筆
由于ＰＵＣ３０３０Ａ支持多種語音壓縮格式，如果采用ＰＵＣ３０３０Ａ作為數(shù)據(jù)編解碼處理器，再利用其內(nèi)置的ＵＳＢ１．１接口作為數(shù)據(jù)傳輸接口，只需外接一片低成本的語音ＡＤＣ芯片和一片大容量的Ｆｌａｓｈ或ＭＭＣ卡即可構成一個支持長時間錄音的數(shù)字錄音筆。ＰＵＣ３０３０Ａ內(nèi)置ＲＴＣ，可以自動記錄每段錄音的時間信息。
２．３ 基于ＵＳＢ１．１的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有適合于便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸控制和數(shù)據(jù)處理功能，因此，在采用ＵＳＢ總線供電時，只需外接ＡＤＣ／ＤＡＣ和電源管理芯片就可以構成完整的ＵＳＢ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。而且，由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有實時數(shù)據(jù)無損壓縮的能力，在某些應用場合，如數(shù)據(jù)量大且數(shù)據(jù)可壓縮比大的音頻和圖像數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，可以在低成本的ＵＳＢ１．１標準下實現(xiàn)高保真的傳送。
２．４ 手持式水表抄表系統(tǒng)
在ＰＵＣ３０３０Ａ推出之前， 由筆者承接開發(fā)的手持式水表抄表系統(tǒng)，采用了Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｂ４４Ｘ０芯片，需要外部擴展一片ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０３、一片ＢｏｏｔＲｏｍ芯片２９Ｃ０４０、一片用于提供程序運行空間的外部ＳＤＲＡＭ。而改用ＰＵＣ３０３０Ａ后， 由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有上述４種芯片的功能，可以用ＰＵＣ３０３０Ａ代替。這樣大大減少了ＰＣＢ板面積，簡化了布線工作，顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，ＰＵＣ３０３０Ａ的系統(tǒng)功耗很低，這個優(yōu)點尤其適宜電池供電的手持式儀器。
２．５ 稅控收款機
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有良好的程序和數(shù)據(jù)加密功能，并具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以運行數(shù)據(jù)庫。而且，其內(nèi)部的ＲＴＣ時鐘可以提供每筆收款的時間記錄，２個全功能（含ＲＸＤ、ＣＴＳ、ＤＳＲ、ＤＣＤ、ＲＴＳ、ＤＴＲ、ＲＩ、ＴＸＤ）的ＵＡＲＴ接口可以方便地與各種條碼閱讀器、磁卡閱讀器、ＩＣ卡閱讀器和Ｍｏｄｅｍ等設備連接。
２．６ ＵＳＢ條碼閱讀器／磁卡閱讀機／智能卡讀寫及指紋識別門鎖／考勤機
ＰＵＣ３０３０Ａ內(nèi)置ＵＳＢ接口和ＲＴＣ，并具有良好的程序和數(shù)據(jù)加密功能，且系統(tǒng)功耗低，可以構成ＵＳＢ總線供電的單芯片條碼閱讀器／磁卡閱讀機／智能卡讀寫機及指紋識別門鎖／考勤機，不再需要外界電源變壓器和串口線等，易于安裝和使用。內(nèi)部ＲＴＣ可以提供每條記錄的時間信息。
２．７ ＬＥＤ多屏顯示系統(tǒng)
ＬＥＤ多屏顯示系統(tǒng)廣泛應用于機場、車站和碼頭等場合。ＰＵＣ３０３０Ａ的高速處理功能和多達５個高速ＳＰＩ接口，使得它特別適用于ＬＥＤ多屏顯示系統(tǒng)。傳統(tǒng)的ＬＥＤ顯示屏幕，基本上采用８０５１ ８位處理器外加許多擴展芯片構成控制系統(tǒng)。下面以最常見的ＬＥＤ顯示屏產(chǎn)品為例，對采用ＰＵＣ３０３０Ａ的方案和采用５１芯片加擴展芯片的方案作一對比，如表１所示。
表1 采用PUC3030A的方案與采用51芯片加擴展芯片的方案比較
RTC
程序存儲器
GPIO
總線擴展
PC通訊 內(nèi)置
內(nèi)置
內(nèi)置
內(nèi)置
不需要
內(nèi)置USB 62C256一片
DS12887一片
29C040一片
8255二片
74HC373一片
MAX3232一片 PCB面積 40mm×40mm 120mm×200mm 布線復雜程度 低 高 可靠性 高 低 獨立復雜圖像處理 支持 不能獨立處理，需PC機協(xié)助 其他 單一芯片，庫存管理和采購工作量小 芯片多，庫存管理和采購工作量大，總體成本高
除了上述應用場合，ＰＵＣ３０３０Ａ還可以應用于其他許多領域，尤其是需要帶ＵＳＢ接口、Ｆｌａｓｈ、ＲＴＣ、多同步串口、多異步串口等資源的應用場合。
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