32位精簡指令集架構(gòu)的AT91M42800A的設(shè)計與應(yīng)用

1　引言 目前，嵌入式產(chǎn)品逐步占領(lǐng)了PC市場，而其核心部分——處理器的性能則決定了產(chǎn)品的設(shè)計和性能。在32位嵌入式處理器中， 由ATMEL 公司生產(chǎn)的AT91系列芯片之一AT91M42800A是基于ARM7TDMI 處理器內(nèi)核的16/32位微控制器，它除具有ARM處理器的低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點外，還具有非常豐富的片內(nèi)資源，特別適合于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。 2 AT91M42800A 的基本特性 AT91M42800A采用32位精簡指令集(RISC)架構(gòu)，因此，它既支持16位Thumb指令集，又支持32位的Arm指令集。它采用三級流水線結(jié)構(gòu)，可在同一時間內(nèi)，一條指令在執(zhí)行，第二條指令在譯碼，第三條指令在取指，這樣，在每個周期都有一條指令在執(zhí)行，因此，指令執(zhí)行速度很快。AT91M42800A的基于先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu)(AMBA)的模塊化設(shè)計方法具有綜合、快速、高性能價格比的特點。該微控制器的內(nèi)部工作寄存器很多，非常適合實時控制應(yīng)用。其主要特點如下：

●內(nèi)核電壓和鎖相環(huán)電壓為2.7～3.6V， I/O口操作電壓為2.7～5.5V; ●內(nèi)部帶有8kB靜態(tài)RAM; ●具有完全可編程外部總線接口(EBI)，且多達(dá)8個片選，尋址空間很大; ●內(nèi)含8通道外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(PDC); ●帶有54個可編程I/O口; ●內(nèi)含6通道16位定時/計數(shù)器; ●具有2個通用串行異步接收/發(fā)送器(USART)和2個主/從SPI接口; ●內(nèi)含3個系統(tǒng)定時器; ●時鐘可由32768 Hz 晶體和內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)電路產(chǎn)生，最高可編程至33MHz，也可由外部時鐘信號提供; ●內(nèi)置嵌入式在線仿真電路(Embedded ICE)?可通過JTAG口對AT91M42800A進(jìn)行測試。 3　基本組成系統(tǒng) 由AT91M42800A構(gòu)成的最基本的系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下幾個部分： (1)程序存儲器(ROM) 由于AT91M42800A 內(nèi)部沒有ROM，因此，必須外擴(kuò)一片程序存儲器。應(yīng)當(dāng)注意的是：AT91M42800A的8位總線和16位總線的FLASH接法不同，具體接法如圖1所示。 (2)數(shù)據(jù)存儲器?RAM? 如果設(shè)計的系統(tǒng)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)比較多，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部8kB SRAM不能滿足要求時，還要外擴(kuò)一片數(shù)據(jù)存儲器。AT91M42800A能夠支持兩種“寫”方式，但對8位數(shù)據(jù)總線和16位數(shù)據(jù)總線的操作也是不同的，因此，對于不同的存儲器，其接法不同。對于8位總線的存儲器，只需接D0～D7，將D8～D15懸空，并將其地址線對接，而單片機(jī)的NWE/NWR0接到存儲器的NWE上。對于16位總線的存儲器，則將其數(shù)據(jù)線對接，A1～A17接存儲器的A0～A16，并將其NWE/NWR0接存儲器的NWE，NUB/NWR1接存儲器的NUB，NLB/A0接存儲器的NLB。外擴(kuò)的RAM 的接法與外擴(kuò)FLASH的接法類似。 (3)時鐘發(fā)生電路 AT91M42800A的時鐘既可以外接晶體，也可外接時鐘信號。當(dāng)外接晶體時，由于其內(nèi)帶振蕩電路，因此，外接32.768 kHz 的晶體后，可產(chǎn)生慢時鐘(SLCK)。由于SLCK頻率低，所以系統(tǒng)的功耗也很低。若想提高系統(tǒng)的工作頻率，則可通過PLLA或PLLB對其倍頻，以達(dá)到所要求的工作頻率。如果所需頻率不能通過PLL倍頻得到，則可由外接時鐘信號來提供。當(dāng)外接時鐘信號時，可直接把時鐘信號接到XIN引腳上，XOUT引腳懸空。 (4)顯示電路 顯示電路可采用數(shù)碼管顯示或液晶顯示，由于液晶顯示的功耗低，故常采用這種顯示方式。該設(shè)計選用的液晶顯示模塊為LCM103。 (5)電源及復(fù)位電路 AT91M42800A內(nèi)部帶有看門狗(WatchDog)電路，也可以外加WatchDog電路。本文中的例子采用的就是外加WatchDog電路的接法，所選用的器件是MAXIM公司生產(chǎn)的MAX6316LUK29CY。 4　典型應(yīng)用 由于單片機(jī)AT91M42800A具有低功耗、高性能、片內(nèi)資源豐富、尋址空間大等優(yōu)點，所以適合現(xiàn)場總線產(chǎn)品的開發(fā)，其簡要硬件原理圖如圖2所示。圖中只給出主要器件的主要引腳接法，電源電路及其它引腳限于篇幅圖中未畫，讀者在實際的設(shè)計過程中可自行設(shè)定。 圖2 現(xiàn)場總線開發(fā)實例 5　存儲器空間分配 在本設(shè)計中，由于ARM7TDMI處理器的地址空間非常大(可達(dá)4G字節(jié))。因此，在重映射前，可將地址最低的4MB分配給內(nèi)部存儲器，最高的4M 分配給內(nèi)部外設(shè)，其余中間的地址空間(從0x00400000到0xFFFCFFFF)留給外部擴(kuò)展的設(shè)備，這部分設(shè)備可由AT91M42800A 的八個片選來選擇。筆者選擇的AT91M42800A開發(fā)環(huán)境為ADS1.1，由于在實際的嵌入式系統(tǒng)中，ADS1.1提供的缺省存儲器映射不能滿足要求，而用戶的目標(biāo)硬件有多個存儲器設(shè)備，且位于不同的位置，如上例中，AT91M42800A的四個片選分別給了外擴(kuò)FLASH、外擴(kuò)的RAM、以及FB3050的內(nèi)部寄存器片選和存儲器片選，因此需要通過Scat-ter 文本文件來指定一段代碼或數(shù)據(jù)在加載和運行時在存儲器的不同位置，這個文本文件在命令行中由-scatter開關(guān)指定。在arm linker菜單的output 子菜單下有l(wèi)ink type一項。link type 選項中，只要選擇 scatter，并指定scatter.scf 文件的存儲位置就可以了。在下面的例子中，F(xiàn)LASH中的代碼和數(shù)據(jù)存儲在0x04000000起始的、長度為32kB的地址空間中。 由于Start. s：匯編引導(dǎo)程序代碼在執(zhí)行重映射后，中斷向量表將存放在內(nèi)部RAM中，其地址范圍為0x00000000到0x00000018，因此，用于存放數(shù)據(jù)的實際地址是從0x00000020開始的。存放在外擴(kuò)RAM中的代碼放在ext_ram.c中，以下類似。上例的scatter 文本文件代碼如下： FLASH 0x04000000 0x8000 { FLASH 0x04000000 0x8000 { Start.o (Reset, +First) * (+RO) } RAM ON CHIP 0x0020 0x2000 { *(+RW,+ZI) } RAM OFF CHIP 0x8000000 0x40000 { ext ram.o(+RW,+ZI) } FB3050 SEND 0x30000000 0x00ff { sendbuf.o(+RW,+ZI) } FB3050 RECEIVE 0x30004000 0x00ff { receive buf.o?+RW?+ZI? } } 6　調(diào)試要點 在設(shè)計調(diào)試過程中，AT91M42800A還有幾個特殊的引腳需要特別注意。 BMS：此引腳用來選擇引導(dǎo)存儲器的數(shù)據(jù)寬度，如果引導(dǎo)存儲器是8位的，應(yīng)將其上拉，而如果為16位則要下拉。 NTRI：此引腳用來選擇三態(tài)模式。如果要進(jìn)入三態(tài)模式，應(yīng)使NTRI引腳在NRST上升沿到來之前保持10個慢時鐘周期的低電平，否則，則應(yīng)將NTRI上拉。 NWAIT：此引腳在調(diào)試AT91M42800A時，應(yīng)將其上拉，否則，系統(tǒng)將進(jìn)入等待狀態(tài)。 MODE0、MODE1：這兩個引腳用來選擇AT91M42800A的4種操作模式，當(dāng)模式改變時，必須進(jìn)行復(fù)位才能有效。其設(shè)置方法如表1所列。 表1 操作模式設(shè)置 MODE0 MODE1 操 作 模 式 0 0 通用模式(時鐘由片上振蕩電路產(chǎn)生) 0 1 邊界掃描模式 1 0 通用模式(時鐘由外時鐘信號通過XIN引腳) 1 1 保留7　結(jié)束語 AT91M42800A是一款處理能力非常強(qiáng)、性能價格比非常高的嵌入式微控制器，它具有32位處理器的處理能力，但卻只有16位處理器的價格。它豐富的片上資源和強(qiáng)大的擴(kuò)展能力為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供了很大靈活性。