LPC18S50/S30/S10：32 位 ARM Cortex - M3 微控制器的深度解析

在嵌入式系統(tǒng)設計領域，選擇一款合適的微控制器至關重要。NXP 推出的 LPC18S50/S30/S10 32 位 ARM Cortex - M3 微控制器，憑借其豐富的功能和出色的性能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解這款微控制器。

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一、概述

LPC18S50/S30/S10 是基于 ARM Cortex - M3 內核的微控制器，專為嵌入式應用設計，具備安全特性。它能在高達 180 MHz 的 CPU 頻率下運行，采用 3 級流水線和哈佛架構，擁有獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，以及用于外設的第三總線，還包含支持推測分支的內部預取單元。

這款微控制器集成了多達 200 kB 的片上 SRAM、帶 AES 引擎的安全特性、Quad SPI Flash 接口（SPIFI）、狀態(tài)可配置定時器/脈寬調制器（SCTimer/PWM）子系統(tǒng)、兩個高速 USB 控制器、以太網(wǎng)、LCD、外部存儲器控制器以及多個數(shù)字和模擬外設。

二、特性與優(yōu)勢

（一）處理器核心

• 高性能內核：ARM Cortex - M3 處理器，運行頻率高達 180 MHz，內置支持八個區(qū)域的內存保護單元（MPU）和嵌套向量中斷控制器（NVIC），具備不可屏蔽中斷（NMI）輸入。
• 調試功能強大：支持 JTAG 和串行線調試、串行跟蹤、八個斷點和四個觀察點，還具備增強跟蹤模塊（ETM）和增強跟蹤緩沖區(qū)（ETB）。
• 系統(tǒng)滴答定時器：可按 10 ms 間隔生成專用的 SYSTICK 異常。

（二）片上內存

• 大容量 SRAM：提供 200 kB 的 SRAM 用于代碼和數(shù)據(jù)存儲，多個 SRAM 塊具有獨立的總線訪問，提高了數(shù)據(jù)處理效率。
• ROM 與 OTP 內存：64 kB 的 ROM 包含引導代碼和片上軟件驅動；64 位一次性可編程（OTP）內存用于通用用途，兩個 256 位的 OTP 內存用于 AES 密鑰存儲，其中一個存儲加密密鑰用于解碼引導映像。
• AES 引擎：支持通過基于 ROM 的 API 進行 AES 加密和解密，具備隨機數(shù)生成器（RNG），可對連接到 Quad SPI Flash 接口（SPIFI）的外部閃存數(shù)據(jù)進行解碼，確保數(shù)據(jù)安全。

（三）時鐘生成單元

• 多時鐘源：支持 1 MHz 至 25 MHz 的晶體振蕩器、12 MHz 內部 RC 振蕩器（精度達 1.5%）和超低功耗 RTC 晶體振蕩器。
• PLL 靈活配置：三個 PLL 允許 CPU 在無需高頻晶體的情況下達到最大速率，第二個 PLL 專用于高速 USB，第三個 PLL 可作為音頻 PLL。
• 時鐘輸出：提供時鐘輸出功能，方便系統(tǒng)時鐘同步。

（四）豐富的外設接口

1. 串行接口
   • Quad SPI Flash 接口（SPIFI）：支持 1、2 或 4 位數(shù)據(jù)傳輸，速率高達 52 MB 每秒。
   • 以太網(wǎng)：10/100T 以太網(wǎng) MAC，具備 RMII 和 MII 接口，支持 DMA，支持 IEEE 1588 時間戳和高級時間戳（IEEE 1588 - 2008 v2）。
   • USB 接口：一個高速 USB 2.0 主機/設備/OTG 接口（USB0）和一個高速 USB 2.0 主機/設備接口（USB1），均支持 DMA，USB 接口電氣測試軟件包含在 ROM USB 堆棧中。
   • UART 和 USART：四個 550 UART 支持 DMA，其中一個 UART 具備完整調制解調器接口，一個 UART 具備 IrDA 接口，三個 USART 支持 UART 同步模式和符合 ISO7816 規(guī)范的智能卡接口。
   • SSP 控制器：兩個 SSP 控制器具備 FIFO 和多協(xié)議支持，均支持 DMA。
   • I2C 接口：一個快速模式增強型 I2C 總線接口和一個標準 I2C 總線接口，支持高達 1 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。
   • I2S 接口：兩個 I2S 接口支持 DMA，每個接口有一個輸入和一個輸出。
2. 數(shù)字外設
   • 外部存儲器控制器（EMC）：支持外部 SRAM、ROM、NOR 閃存和 SDRAM 設備。
   • LCD 控制器：支持高達 1024 H × 768 V 的可編程顯示分辨率，支持單色和彩色 STN 面板以及 TFT 彩色面板，支持 1/2/4/8 bpp 顏色查找表（CLUT）和 16/24 位直接像素映射。
   • SD/MMC 卡接口：支持 Secure Digital 內存（SD 版本 3.0）、Secure Digital I/O（SDIO 版本 2.0）、Consumer Electronics Advanced Transport Architecture（CE - ATA 版本 1.1）和 MultiMedia 卡（MMC 版本 4.4）。
   • 通用 DMA 控制器：八通道通用 DMA 控制器可訪問 AHB 上的所有內存和所有支持 DMA 的 AHB 從設備。
   • GPIO：多達 164 個通用輸入/輸出（GPIO）引腳，具備可配置的上拉/下拉電阻，GPIO 寄存器位于 AHB 上以實現(xiàn)快速訪問，GPIO 端口支持 DMA。
3. 模擬外設
   • ADC：兩個 10 位 ADC 支持 DMA，數(shù)據(jù)轉換速率為 400 kSamples/s，每個 ADC 最多有八個輸入通道。
   • DAC：一個 10 位 DAC 支持 DMA，數(shù)據(jù)轉換速率為 400 kSamples/s。

（五）電源管理

• 單一電源供電：采用單一 3.3 V（2.2 V 至 3.6 V）電源供電，片上內部穩(wěn)壓器為核心電源和 RTC 電源域供電。
• RTC 獨立供電：RTC 電源域可由 3 V 電池單獨供電。
• 多種低功耗模式：支持睡眠、深度睡眠、掉電和深度掉電四種低功耗模式，可通過各種外設的喚醒中斷從睡眠模式喚醒，通過外部中斷和 RTC 電源域中電池供電模塊產生的中斷從深度睡眠、掉電和深度掉電模式喚醒。
• 欠壓檢測：具備四個獨立閾值的欠壓檢測功能，用于中斷和強制復位。

三、應用領域

LPC18S50/S30/S10 適用于多種應用場景，包括通信集線器、汽車售后市場、電源管理、消費健康設備、嵌入式音頻應用、工業(yè)控制、工業(yè)自動化和白色家電等。

四、訂購信息

該系列微控制器提供多種封裝選項，如 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等，不同型號在 SRAM 容量、LCD、以太網(wǎng)、USB 接口、ADC 通道、PWM、QEI 和 GPIO 等方面存在差異，工程師可根據(jù)具體需求進行選擇。

五、功能描述

（一）架構概述

ARM Cortex - M3 包含三個 AHB - Lite 總線：系統(tǒng)總線、I - code 總線和 D - code 總線，LPC18S50/S30/S10 使用多層 AHB 矩陣將 ARM Cortex - M3 總線和其他總線主設備連接到外設，實現(xiàn)靈活的連接和同時訪問。

（二）ARM Cortex - M3 處理器

ARM Cortex - M3 是一款通用的 32 位微處理器，具有高性能和低功耗的特點，采用流水線技術，支持 Thumb - 2 指令集、低中斷延遲、硬件除法、硬件單周期乘法等功能。

（三）系統(tǒng)滴答定時器（SysTick）

可按 10 ms 間隔生成專用的 SYSTICK 異常，用于系統(tǒng)定時。

（四）AHB 多層矩陣

通過多層 AHB 矩陣實現(xiàn)總線主設備和從設備的連接，確保數(shù)據(jù)的高效傳輸。

（五）嵌套向量中斷控制器（NVIC）

支持 53 個向量中斷，具備八個可編程中斷優(yōu)先級級別和硬件優(yōu)先級級別屏蔽功能，支持可重定位向量表、非屏蔽中斷（NMI）和軟件中斷生成。

（六）事件路由器

將各種內部信號、中斷和外部中斷引腳（WAKEUP[3:0]）組合，在 NVIC 中創(chuàng)建中斷，并生成喚醒信號，可由電池供電。

（七）全局輸入多路復用器陣列（GIMA）

用于將內部和外部信號路由到事件驅動的外設目標，具備單源選擇、信號反轉、脈沖捕獲、同步和單周期脈沖生成等功能。

（八）片上靜態(tài) RAM

支持高達 200 kB 的 SRAM，具備獨立的總線主設備訪問和獨立的電源控制，支持在系統(tǒng)編程（ISP）模式。

（九）引導 ROM

64 kB 的內部 ROM 存儲引導代碼，支持從外部靜態(tài)內存（如 NOR 閃存、SPI 閃存、Quad SPI 閃存、USB0 和 USB1）引導，包含 OTP 編程 API 和靈活的 USB 設備堆棧。

（十）內存映射

詳細的內存映射為不同的外設和內存區(qū)域分配了特定的地址空間，方便工程師進行編程和調試。

（十一）一次性可編程（OTP）內存

提供 64 位通用 OTP 內存和 256 位用于存儲兩個 AES 密鑰的 OTP 內存，其中一個為加密密鑰。

（十二）通用輸入/輸出（GPIO）

提供八個 GPIO 端口，每個端口最多有 31 個 GPIO 引腳，具備加速 GPIO 功能、位級設置和清除寄存器、方向控制、中斷請求等功能。

（十三）AHB 外設

1. AES 解密/加密：硬件 AES 引擎支持 AES 算法的加密和解密，具備多種特性，如隨機數(shù)生成、唯一 ID、CMAC 哈希計算等。
2. 狀態(tài)可配置定時器（SCTimer/PWM）子系統(tǒng)：可配置為兩個 16 位計數(shù)器或一個統(tǒng)一的 32 位計數(shù)器，支持多種定時、計數(shù)、輸出調制和輸入捕獲操作。
3. 通用 DMA：支持外設到內存、內存到外設、外設到外設和內存到內存的事務，具備八個 DMA 通道、16 個 DMA 請求線、硬件 DMA 通道優(yōu)先級等功能。
4. SPI Flash 接口（SPIFI）：支持經(jīng)典和 4 位雙向串行協(xié)議，可與低功耗串行閃存連接，支持 DMA 訪問。
5. SD/MMC 卡接口：支持多種 SD/MMC 模式。
6. 外部存儲器控制器（EMC）：支持動態(tài)內存接口（如 SDRAM）和異步靜態(tài)內存設備（如 RAM、ROM 和 NOR 閃存），具備低事務延遲、讀寫緩沖區(qū)等特性。
7. 高速 USB 主機/設備/OTG 接口（USB0）：具備片上 UTMI + 兼容的高速收發(fā)器（PHY），支持 USB 2.0 規(guī)范和 USB On - The - Go 補充協(xié)議。
8. 高速 USB 主機/設備接口（USB1）：可連接外部 ULPI PHY 實現(xiàn)高速操作，支持 USB 2.0 規(guī)范。
9. LCD 控制器：提供必要的控制信號，支持多種 LCD 面板，具備 DMA 控制器和硬件光標支持。
10. 以太網(wǎng)：支持 10/100 Mbit/s，具備 DMA 支持、電源管理遠程喚醒幀和魔法包檢測等功能，支持 IEEE 1588 時間戳。

（十四）數(shù)字串行外設

1. UART：具備標準的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線，支持全調制解調器控制握手接口和 RS - 485/9 位模式，支持 DMA。
2. USART：三個 USART 支持同步模式和智能卡模式，支持 DMA，其中 USART3 支持 IrDA 模式。
3. SSP 串行 I/O 控制器：支持 SPI、4 線 SSI 或 Microwire 總線，支持全雙工傳輸，具備八個幀 FIFO。
4. I2C 總線接口：兩個 I2C 總線接口支持多主機操作，具備可編程時鐘、雙向數(shù)據(jù)傳輸、仲裁和串行時鐘同步等功能。
5. I2S 接口：兩個 I2S 接口支持數(shù)字音頻應用，具備獨立的輸入/輸出通道，支持 8、16 和 32 位字大小，支持音頻主時鐘。
6. C_CAN：兩個 C_CAN 控制器符合 CAN 協(xié)議版本 2.0B，支持高達 1 Mbit/s 的比特率，具備 32 個消息對象和可編程 FIFO 模式。

（十五）計數(shù)器/定時器和電機控制

1. 通用 32 位定時器/外部事件計數(shù)器：四個 32 位定時器/計數(shù)器具備可編程 32 位預分頻器、兩個 32 位捕獲通道和四個 32 位匹配寄存器，支持多種操作模式和中斷功能。
2. 電機控制 PWM：支持三相電機和其他組合，具備反饋輸入和中止輸入，可用于多種定時、計數(shù)、捕獲和比較應用。
3. 正交編碼器接口（QEI）：用于解碼正交編碼器的數(shù)字脈沖，跟蹤編碼器位置、方向和速度，具備可編程計數(shù)模式、速度捕獲和比較功能。
4. 重復中斷（RI）定時器：提供一個自由運行的 32 位計數(shù)器，可與可選值進行比較，生成中斷。
5. 窗口看門狗定時器（WWDT）：用于在軟件未能在可編程時間窗口內定期服務時復位控制器，具備可選的窗口操作和警告中斷功能。

（十六）模擬外設

1. 模數(shù)轉換器（ADC）：兩個 10 位 ADC 具備輸入多路復用、掉電模式、測量范圍 0 至 VDDA、采樣頻率高達 400 kSamples/s 等特性，支持 DMA。
2. 數(shù)模轉換器（DAC）：10 位分辨率，具備單調設計、可控轉換速度和低功耗等特性。

（十七）RTC 電源域外設

1. RTC：用于測量時間，具備超低功耗設計，支持電池供電，可進行校準，支持周期性中斷和鬧鐘中斷。
2. 鬧鐘定時器：16 位定時器，可按 1 kHz 計數(shù)，生成鬧鐘中斷。

（十八）系統(tǒng)控制

1. 配置寄存器（CREG）：控制 BOD 跳閘設置、振蕩器輸出、DMA 到外設復用、以太網(wǎng)模式、內存映射、定時器/USART 輸入和 USB 控制器啟用等設置。
2. 系統(tǒng)控制單元（SCU）：確定數(shù)字引腳的功能和電氣模式，控制 ADC 功能選擇。
3. 時鐘生成單元（CGU）：生成多個基本時鐘，多個分支時鐘可獨立控制，用于電源管理。
4. 內部 RC 振蕩器（IRC）：作為 WWDT 和/或 PLLs 及 CPU 的時鐘源，頻率為 12 MHz，精度為 1.5%。
5. PLL0USB（用于 USB0）：為 USB0 高速控制器提供專用 PLL。
6. PLL0AUDIO（用于音頻）：通用 PLL，支持小步長，輸出頻率可根據(jù)采樣頻率進行設置。
7. 系統(tǒng) PLL1：輸入時鐘頻率范圍為 1 MHz 至 25 MHz，可將輸入頻率倍增至高頻，輸出時鐘可通過輸出分頻器進行設置。
8. 復位生成單元（RGU）：可生成獨立的復位信號用于各個模塊和外設。
9. 電源控制：具備多個獨立的電源域，支持四種低功耗模式，可通過 WAKEUP[3:0] 引腳和 RTC 電源域中電池供電模塊產生的中斷喚醒。

（十九）仿真和調試

集成了 ARM Cortex - M3 的調試和跟蹤功能，支持串行線調試和跟蹤，支持多達八個斷點和四個觀察點。

六、電氣特性

（一）限制值

文檔給出了調節(jié)器電源電壓、輸入/輸出電源電壓、模擬電源電壓、電池供電電壓等參數(shù)的限制值，確保芯片在安全的電壓范圍內工作。

（二）熱特性

提供了平均芯片結溫的計算公式，以及不同封裝的熱阻參數(shù)，幫助工程師進行散熱設計。

（三）靜態(tài)特性

詳細列出了各種電源引腳的電壓、電流參數(shù)，以及不同模式下的功耗情況，為電源設計提供參考。

（四）動態(tài)特性

包括喚醒時間、外部時鐘、晶體振蕩器、IRC 振蕩器、RTC 振蕩器、I/O 引腳、I2C 總線、I2S 總線接口、USART 接口、SSP 接口、外部存儲器接口、USB 接口、以太網(wǎng)、SD/MMC、LCD 和 SPIFI 等的動態(tài)特性參數(shù)，為系統(tǒng)設計提供了準確的時序信息。

（五）ADC/DAC 電氣特性

給出了 ADC 和 DAC 的各項電氣特性參數(shù)，如模擬輸入電壓、輸入電容、線性誤差、偏移誤差、增益誤差等，確保模擬信號處理的準確性。

七、應用信息

（一）LCD 面板信號使用

提供了不同類型 LCD 面板（ST