STR91xFAxxx：高性能ARM966E - S微控制器的深度剖析

在當(dāng)今的電子設(shè)計領(lǐng)域，微控制器扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們將深入探討ST公司推出的STR91xFAxxx系列微控制器，它融合了強大的ARM966E - S內(nèi)核和豐富的外設(shè)，為眾多應(yīng)用場景提供了理想的解決方案。

文件下載：STR910FAW32X6.pdf

一、產(chǎn)品概述

STR91xFA系列微控制器以16/32位ARM966E - S RISC處理器核心為基礎(chǔ)，搭配雙銀行閃存、大容量SRAM以及豐富的外設(shè)，適用于銷售點終端、工業(yè)自動化、安全監(jiān)控、自動售貨機、通信網(wǎng)關(guān)、串行協(xié)議轉(zhuǎn)換和醫(yī)療設(shè)備等多種應(yīng)用。其ARM966E - S核心支持單周期DSP指令，在語音處理、音頻算法和低端成像等方面表現(xiàn)出色。

1.1 產(chǎn)品型號與配置

該系列有多種型號可供選擇，不同型號在閃存容量、RAM大小、外設(shè)和封裝形式上有所差異。例如，STR910FAM32配備256KB + 32KB閃存和64KB RAM，采用LQFP80封裝；而STR912FAW46則擁有1024KB + 128KB閃存和96KB RAM，采用LQFP128封裝。具體的型號配置可參考文檔中的設(shè)備摘要表格。

二、功能特性

2.1 ARM966E - S CPU核心

• 哈佛架構(gòu)：該核心采用哈佛架構(gòu)，具有獨立的指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存接口，允許CPU通過兩個緊密耦合的內(nèi)存（TCM）接口同時獲取指令和讀寫數(shù)據(jù)，從而簡化了CPU的加載和存儲操作，減少了每條指令的周期數(shù)。
• 5級流水線：采用5級流水線設(shè)計，增加了操作并行性，充分發(fā)揮每個時鐘周期的性能。
• DSP指令擴(kuò)展：支持10種DSP增強指令擴(kuò)展，包括單周期執(zhí)行32x16乘法累加、飽和加法/減法和前導(dǎo)零計數(shù)等。
• 代碼兼容性：與32位ARM7代碼和16位Thumb代碼二進(jìn)制兼容。

2.2 突發(fā)閃存內(nèi)存接口

• 高性能架構(gòu)：突發(fā)閃存內(nèi)存接口集成到ARM966E - S核心的指令TCM（I - TCM）路徑中，同時還包含一個8指令預(yù)取隊列（PFQ）和一個15項分支緩存（BC），使核心在直接從閃存內(nèi)存執(zhí)行代碼時能夠達(dá)到高達(dá)96 MIPS的性能。
• 預(yù)取隊列（PFQ）：當(dāng)CPU核心通過I - TCM訪問順序指令時，PFQ會提前預(yù)取指令，利用因可變長度指令產(chǎn)生的空閑總線周期，以高達(dá)96 MHz的速率從突發(fā)閃存內(nèi)存中每次獲取32位數(shù)據(jù)。
• 分支緩存（BC）：在指令地址不連續(xù)（如程序分支情況）時，PFQ需要刷新和重新加載，若沒有BC，CPU會出現(xiàn)停頓。BC包含最近使用的最多15個分支地址以及每個分支相關(guān)的前8條指令，通過快速檢查所有15個BC條目是否匹配分支地址（緩存命中），若命中則迅速提供指令，減少CPU停頓。此外，還有一個專門用于向量中斷控制器（VIC）的第16個分支緩存條目，可進(jìn)一步減少中斷延遲。
• 文字管理：STR91xFA的ARM966E - S核心實現(xiàn)了特殊電路，當(dāng)程序流中遇到文字（數(shù)據(jù)常量）時，可防止PFQ刷新，以保持最大性能。

2.3 SRAM

• 單周期數(shù)據(jù)訪問：32位寬的SRAM位于CPU的數(shù)據(jù)TCM（D - TCM）接口上，提供單周期數(shù)據(jù)訪問。D - TCM與高級高性能總線（AHB）共享SRAM訪問，通過簡單的仲裁邏輯控制，允許AHB上的DMA單元也能訪問SRAM。
• 仲裁機制：當(dāng)D - TCM或AHB只有一個請求SRAM時，可實現(xiàn)零等待狀態(tài)訪問。當(dāng)兩者同時請求時，采用交錯方式授予訪問權(quán)，確保雙方都不會被餓死。當(dāng)兩者都不請求時，仲裁器將訪問權(quán)授予最近的用戶。
• 電池備份：當(dāng)電池連接到指定的電池備份引腳（VBATT）時，主數(shù)字電源（VDD和VDDQ）的工作電壓丟失或低于LVD閾值時，SRAM內(nèi)容會自動保存。如果需要，固件可以禁用自動切換到SRAM，使電池僅為RTC供電，而不為SRAM供電。

2.4 DMA數(shù)據(jù)移動

• 獨立數(shù)據(jù)路徑：高級高性能總線（AHB）上的DMA通道充分利用哈佛架構(gòu)提供的獨立數(shù)據(jù)路徑，快速移動數(shù)據(jù)，且在很大程度上獨立于指令路徑。
• DMA單元：有兩個DMA單元，一個專門用于在以太網(wǎng)接口和SRAM之間移動數(shù)據(jù)，另一個DMA單元有8個可編程通道和14個請求信號，用于服務(wù)其他外設(shè)和接口（如USB、SSP、ADC、UART、定時器、EMI和外部請求引腳）。支持單字和突發(fā)DMA傳輸，除了內(nèi)存 - 外設(shè)傳輸外，還支持內(nèi)存 - 內(nèi)存?zhèn)鬏敗?/li>
• 仲裁與管理：DMA對SRAM的訪問與D - TCM訪問共享，仲裁機制如前文所述。高效的DMA傳輸由固件使用鏈表描述符表進(jìn)行管理，16個DMA請求信號中有兩個分配給外部輸入，DMA單元可以通過EMI總線在外部設(shè)備和STR91xFA內(nèi)部資源之間移動數(shù)據(jù)。

2.5 非易失性存儲器

• 雙閃存設(shè)計：有兩個獨立的32位寬突發(fā)閃存存儲器，支持真正的讀 - 寫操作。閃存存儲器采用單電壓擦除/編程，數(shù)據(jù)保留時間至少為20年，擦除周期至少為100K次。主閃存比次閃存大得多。
• 主閃存：可通過STR91xFA設(shè)備配置軟件工具和第三方集成開發(fā)環(huán)境指定主閃存為CPU復(fù)位時的默認(rèn)啟動內(nèi)存，也可指定次閃存為默認(rèn)啟動內(nèi)存。主閃存具有等長的64KB字節(jié)扇區(qū)，不同設(shè)備類型的扇區(qū)數(shù)量不同。
• 次閃存：可用于實現(xiàn)引導(dǎo)加載程序，能夠存儲代碼以對主閃存進(jìn)行強大的應(yīng)用內(nèi)編程（IAP）。CPU可以從次閃存執(zhí)行代碼，同時更新主閃存中的代碼。新代碼可以通過STR91xFA上的任何接口（如USB、以太網(wǎng)、CAN、UART等）下載。此外，次閃存還可以通過固件模擬EEPROM來存儲小數(shù)據(jù)集，提高數(shù)據(jù)安全級別。
• 編程方式：兩個閃存存儲器都可以使用JTAG系統(tǒng)內(nèi)編程（ISP）通道獨立于CPU進(jìn)行代碼和/或數(shù)據(jù)編程，這對于迭代代碼開發(fā)和制造非常有用。

2.6 一次性可編程（OTP）內(nèi)存

• 用途：有32字節(jié)的OTP內(nèi)存，非常適合存儲序列號、安全密鑰、工廠校準(zhǔn)常數(shù)或其他永久數(shù)據(jù)常量。
• 編程與鎖定：這些OTP數(shù)據(jù)字節(jié)只能通過JTAG接口或CPU進(jìn)行一次編程，之后無法更改?？梢酝ㄟ^JTAG接口或CPU設(shè)置“鎖定位”，阻止對該OTP區(qū)域的進(jìn)一步寫入，“鎖定位”本身也是一次性可編程的。

2.7 向量中斷控制器（VIC）

• 中斷管理：STR91xFA的中斷管理通過級聯(lián)兩個標(biāo)準(zhǔn)ARM VIC單元實現(xiàn)，這個組合VIC有32個優(yōu)先級中斷請求通道，并向CPU生成兩個中斷輸出信號：FIQ和IRQ，其中FIQ優(yōu)先級更高。
• FIQ處理：FIQ是唯一的非向量中斷，CPU可以直接執(zhí)行中斷服務(wù)程序（ISR），無需確定/優(yōu)先級中斷源，從而最小化ISR延遲。通常只有一個中斷源被分配給FIQ，F(xiàn)IQ中斷有自己的一組銀行寄存器，以最小化上下文切換時間。任何32個中斷請求輸入信號都可以分配給FIQ。
• IRQ處理：IRQ是向量中斷，是進(jìn)入32個IRQ通道的所有32個中斷請求信號的邏輯或。單個向量中斷請求的優(yōu)先級由硬件確定（IRQ通道Intr 0優(yōu)先級最高，IRQ通道Intr 31優(yōu)先級最低）。在同一VIC（主VIC或次VIC）內(nèi)，CPU固件可以重新分配單個中斷源到單個硬件IRQ通道，從而有效改變中斷優(yōu)先級。VIC0（主VIC）中斷的優(yōu)先級總是高于VIC1（次VIC）中斷。當(dāng)IRQ信號被中斷請求激活時，VIC硬件將解析IRQ中斷優(yōu)先級，然后ISR讀取VIC以確定中斷源和向量地址，跳轉(zhuǎn)到服務(wù)代碼。STR91xFA通過在指令分支緩存中添加第16個條目（專門用于中斷），將從VIC讀取中斷向量地址所需的內(nèi)存訪問次數(shù)從兩次減少到一次，從而減少IRQ中斷的ISR響應(yīng)時間。
• 中斷源：進(jìn)入VIC的32個中斷請求信號來自各種源，其中5個來自喚醒單元，其余27個來自STR91xFA的內(nèi)部源，如片上外設(shè)。喚醒單元生成的5個中斷請求之一（表6中的IRQ25）是喚醒單元所有32個輸入的邏輯或，這些輸入可用于喚醒CPU并引發(fā)中斷。其余4個中斷請求（表6中的IRQ26）由8個中斷源分組產(chǎn)生，允許單個引腳直接分配給向量IRQ中斷或非向量FIQ中斷。

三、時鐘、復(fù)位和電源管理

3.1 時鐘管理

• 內(nèi)部振蕩器：內(nèi)部振蕩器與外部4 - 25 MHz晶體配合工作。
• 內(nèi)部PLL：內(nèi)部PLL可將時鐘頻率提升至96 MHz。
• 實時時鐘（RTC）：提供日歷功能、篡改檢測和喚醒功能。

3.2 復(fù)位管理

• 復(fù)位監(jiān)控器：監(jiān)控電源電壓、看門狗、喚醒單元和外部復(fù)位。
• 欠壓監(jiān)控：檢測電源電壓下降情況。

3.3 電源管理

• 運行模式：正常工作模式。
• 空閑模式：降低功耗，CPU停止執(zhí)行指令，但保持外設(shè)運行。
• 睡眠模式：功耗最低，可低至50 μA，喚醒后可快速恢復(fù)工作。

四、通信接口

4.1 以太網(wǎng)MAC接口

• 支持10/100以太網(wǎng)MAC：帶有DMA和MII接口，可實現(xiàn)高速以太網(wǎng)通信。

4.2 USB接口

• USB全速（12 Mbps）從設(shè)備：支持DMA傳輸，可實現(xiàn)與外部設(shè)備的高速數(shù)據(jù)交換。

4.3 CAN接口

• CAN 2.0B活動接口：可用于工業(yè)控制等領(lǐng)域的通信。

4.4 UART接口

• 3個16550風(fēng)格的UART：支持IrDA協(xié)議，可用于串行通信。

4.5 I2C接口

• 2個快速I2C接口：速率可達(dá)400 kHz，用于與其他I2C設(shè)備通信。

4.6 SPI/SSI/MICROWIRE接口

• 2個通道：可用于與外部設(shè)備進(jìn)行串行通信。

五、其他特性

5.1 外部存儲器接口（EMI）

• 支持8位或16位數(shù)據(jù)，最多24位尋址：可連接外部存儲器，擴(kuò)展系統(tǒng)的存儲容量。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)定時器（TIM）

• 4個16位定時器：每個定時器具有2個輸入捕獲、2個輸出比較、PWM和脈沖計數(shù)模式，可用于定時、計數(shù)和PWM控制等應(yīng)用。

5.3 三相感應(yīng)電機控制器（IMC）

• 用于控制三相感應(yīng)電機：可實現(xiàn)電機的高效控制。

5.4 JTAG接口

• 支持邊界掃描：方便進(jìn)行芯片的測試和調(diào)試。

5.5 嵌入式跟蹤模塊（ARM ETM9）

• 可用于芯片的調(diào)試和性能分析：幫助工程師快速定位問題。

六、總結(jié)

STR91xFAxxx系列微控制器憑借其強大的ARM966E - S核心、豐富的外設(shè)和靈活的配置選項，為電子工程師提供了一個高性能、低功耗的解決方案。無論是在工業(yè)自動化、通信、醫(yī)療設(shè)備還是其他領(lǐng)域，都能發(fā)揮出其獨特的優(yōu)勢。在實際設(shè)計中，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號和配置，充分利用其各種特性，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。

你在使用這款微控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。