CP3UB17：可重編程連接處理器的技術(shù)剖析

在嵌入式系統(tǒng)設計領(lǐng)域，一款性能卓越的連接處理器對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)至關(guān)重要。CP3UB17作為一款可重編程連接處理器，憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應用場景中展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢。下面我們就來深入了解一下CP3UB17的各項特性。

文件下載：CP3UB17K38/NOPB.pdf

一、總體概述

CP3UB17將強大的RISC內(nèi)核與片上SRAM和閃存相結(jié)合，具備高計算帶寬。同時，它擁有硬件通信外設，提供高I/O帶寬，還配備外部總線以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展性。片上通信外設涵蓋USB控制器、ACCESS.bus、Microwire/Plus、SPI、UART和高級音頻接口（AAI）等。此外，還有DMA控制器、CVSD/PCM轉(zhuǎn)換模塊、定時和看門狗單元、多功能定時器等片上外設。并且，它還擁有多輸入喚醒功能，為系統(tǒng)的低功耗運行提供了有力支持。

二、CPU特性

1. 核心性能

CP3UB17采用全靜態(tài)RISC處理器核心，能夠在0到24 MHz的頻率下運行，且零等待/保持狀態(tài)。在24 MHz內(nèi)部時鐘頻率下，基于12 MHz外部輸入，指令周期時間最短可達41.7 ns。它還擁有30個獨立向量的外設中斷，能及時響應各種外部事件。

2. 片上內(nèi)存

• 閃存程序內(nèi)存：256K字節(jié)的可重編程閃存程序內(nèi)存，用于存儲應用程序和實時操作系統(tǒng)，并且具備安全特性，可防止意外編程和未經(jīng)授權(quán)的訪問。
• 閃存數(shù)據(jù)內(nèi)存：8K字節(jié)的閃存數(shù)據(jù)內(nèi)存，用于非易失性存儲最終用戶輸入的數(shù)據(jù)，如配置設置。
• 靜態(tài)RAM：10K字節(jié)的靜態(tài)RAM用于臨時數(shù)據(jù)存儲、程序棧和中斷棧，讀寫操作可根據(jù)CPU執(zhí)行的指令進行字節(jié)或字寬操作。
• 外部內(nèi)存：100引腳的設備可支持最多8M字節(jié)的外部內(nèi)存，通過外部總線進行擴展。

3. 硬件通信外設

• USB節(jié)點：全速USB節(jié)點，包含七個端點FIFO，符合USB 1.1規(guī)范，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式。
• ACCESS.bus：串行總線，兼容飛利浦 (I^{2} C) 總線。
• SPI和Microwire/Plus：支持8/16位的SPI和Microwire/Plus串行接口。
• UART：通用異步收發(fā)器，支持多種可編程波特率和數(shù)據(jù)格式，具備奇偶校驗和錯誤檢測功能。
• 高級音頻接口（AAI）：可連接外部8/13位PCM編解碼器以及通過IOM - 2接口連接ISDN控制器（僅作為從設備）。
• CVSD/PCM轉(zhuǎn)換器：支持一個雙向音頻連接。

4. 通用硬件外設

• 多功能定時器：雙16位多功能定時器，可配置多種工作模式，如處理器獨立脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式、雙輸入捕獲模式等。
• 通用定時器單元（VTU）：包含四個獨立的定時器子系統(tǒng)，可工作在不同的配置下，每個子系統(tǒng)都有8位時鐘預分頻器，以適應不同的頻率需求。
• DMA控制器：四個通道的DMA控制器，可加速內(nèi)存與I/O設備之間或兩個內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用周期竊取方法，使CPU和DMAC能并行使用核心總線。
• 定時和看門狗單元：包含實時定時器和看門狗單元，實時定時器可生成周期性實時系統(tǒng)中斷，看門狗單元用于檢測應用程序是否陷入無限循環(huán)，觸發(fā)時將重置設備。

5. 靈活I(lǐng)/O

CP3UB17最多有37個通用I/O引腳，這些引腳與片上外設I/O引腳共享。每個引腳可配置為通用輸入或輸出，其特性可編程，包括三態(tài)輸出、推挽輸出、弱上拉輸入和高阻抗輸入，并且通用輸入引腳帶有施密特觸發(fā)器。

6. 電源和時鐘管理

• 鎖相環(huán)（PLL）：片上鎖相環(huán)支持多種時鐘選項，可將外部12 MHz輸入時鐘提升至24 MHz的主時鐘。
• 雙時鐘和復位：提供主系統(tǒng)時鐘和32.768 kHz的慢速時鐘，慢速時鐘可用于節(jié)能模式，并且可通過外部晶體網(wǎng)絡或從高速時鐘分頻獲得。
• 電源模式：支持四種電源模式，包括活動模式、節(jié)能模式、空閑模式和暫停模式，可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整功耗。

7. 電源供應和溫度范圍

I/O端口工作電壓為2.5V至3.3V，核心邏輯工作電壓為2.5V，片上具備上電復位功能。溫度范圍為 -40°C至 +85°C（工業(yè)級），適用于各種惡劣環(huán)境。

8. 封裝形式

提供CSP - 48和LQFP - 100兩種封裝形式，滿足不同的應用需求。

三、設備概述

1. CPU核心模塊

CP3UB17采用CR16C CPU核心模塊，其高性能得益于流水線架構(gòu)和每周期兩字節(jié)的流水線系統(tǒng)總線，能夠?qū)崿F(xiàn)每個時鐘周期執(zhí)行一條指令的峰值執(zhí)行速率。

2. 內(nèi)存管理

支持最大16兆字節(jié)的統(tǒng)一線性地址空間，片上內(nèi)存分為閃存程序內(nèi)存、閃存數(shù)據(jù)內(nèi)存和靜態(tài)RAM，并且100引腳設備可擴展外部內(nèi)存。閃存內(nèi)存的編程所需電壓由設備內(nèi)部生成，無需額外電源。

3. I/O端口

多達37個軟件可配置的I/O引腳，分為五個端口，每個引腳可配置為通用輸入或輸出，也可作為片上外設模塊的輸入或輸出。引腳特性可編程，如三態(tài)輸出、推挽輸出等。

4. 總線接口單元（BIU）

控制對內(nèi)部/外部內(nèi)存和I/O的訪問，通過控制寄存器確定總線訪問的參數(shù)，如內(nèi)存訪問的等待狀態(tài)和保持狀態(tài)。啟動時，配置寄存器設置為最慢的內(nèi)存訪問，為實現(xiàn)最快的程序執(zhí)行，需根據(jù)時鐘頻率和外部設備類型進行適當編程。

5. 中斷控制單元（ICU）

接收來自內(nèi)部和外部源的中斷請求，并向CPU生成中斷。定時器、UART、Microwire/SPI接口和多輸入喚醒等中斷為可屏蔽中斷，可通過軟件啟用或禁用，共有32個可屏蔽中斷，分配到32個線性優(yōu)先級級別。最高優(yōu)先級中斷為不可屏蔽中斷（NMI），由NMI輸入引腳接收到的信號觸發(fā)。

6. USB節(jié)點

是一個兼容USB 1.0和1.1規(guī)范的通用串行總線（USB）節(jié)點控制器，集成了所需的USB收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）和USB端點FIFOs，支持七個端點管道，可實現(xiàn)USB中斷、批量和同步數(shù)據(jù)傳輸。

7. 多輸入喚醒（MIWU）模塊

可用于從暫停、空閑或節(jié)能模式喚醒設備，也可提供來自外部源的通用邊緣觸發(fā)可屏蔽中斷。該模塊有16個輸入通道，可根據(jù)接收到的信號生成四個可編程中斷到CPU，通道可單獨啟用或禁用，并可編程為對正或負邊緣響應。

8. 三重時鐘和復位模塊

從外部晶體網(wǎng)絡生成高速主系統(tǒng)時鐘，提供主系統(tǒng)復位信號和上電復位功能。還可從可選的外部晶體網(wǎng)絡生成慢速系統(tǒng)時鐘（32.768 kHz），用于節(jié)能模式。同時，該模塊還提供兩個從高速時鐘分頻得到的獨立時鐘輸出引腳。

9. 電源管理模塊（PMM）

通過改變設備的工作模式和功耗來匹配所需的活動水平，提高設備效率。設備可在活動、節(jié)能、空閑和暫停四種電源模式下運行。

10. 其他模塊

• 多功能定時器（MFT）：包含一對16位定時器/計數(shù)器寄存器，可配置多種工作模式。
• 通用定時器單元（VTU）：四個獨立的定時器子系統(tǒng)，可工作在不同配置下。
• UART：支持多種可編程波特率和數(shù)據(jù)格式，具備奇偶校驗和錯誤檢測功能，可通過多輸入喚醒模塊從節(jié)能模式喚醒。
• Microwire/SPI：支持與符合Microwire或SPI規(guī)范的其他設備進行同步串行通信，可工作在主或從模式，主模式下由片上軟件控制生成移位時鐘，從模式下可通過多輸入喚醒模塊從節(jié)能模式喚醒。
• ACCESS.bus接口：兩線串行接口，與Intel的系統(tǒng)管理總線（SMBus）和飛利浦的 (I^{2} C) 總線兼容，可配置為主或從設備，通過多輸入喚醒模塊可從低功耗模式喚醒。
• DMA控制器：四個獨立的DMA通道，可加速數(shù)據(jù)傳輸，不同的片上模塊可向DMAC發(fā)出DMA請求。
• 高級音頻接口（AAI）：提供與編解碼器和類似串行設備的串行同步、全雙工接口，可工作在異步或同步模式，能處理8位或16位的數(shù)據(jù)字和最多四個時隙的數(shù)據(jù)幀。
• CVSD/PCM轉(zhuǎn)換模塊：實現(xiàn)CVSD和PCM數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，CVSD編碼符合藍牙規(guī)范1.0，PCM數(shù)據(jù)可以是8位μ - Law、8位A - Law或13位至16位線性。
• 串行調(diào)試接口（SDI）模塊：提供基于JTAG的串行鏈接到外部調(diào)試器，集成了片上調(diào)試模塊，可設置最多四個硬件斷點，可作為CPU總線主設備訪問所有內(nèi)存映射資源，還可通過JTAG接口快速將程序下載到片上閃存程序內(nèi)存。

四、設備引腳分配

CP3UB17提供100引腳和48引腳兩種封裝形式，不同封裝的引腳分配有所不同。每個引腳都有其主要功能和可選的替代功能，部分引腳帶有內(nèi)部上拉或下拉電阻，以防止輸入浮空。在設計電路時，需要根據(jù)具體的應用需求合理選擇引腳，并注意引腳的電氣特性。

五、開發(fā)支持

CP3UB17為設計師提供了快速上市所需的軟件資源，包括操作系統(tǒng)、外設驅(qū)動、參考設計和集成開發(fā)環(huán)境。國家半導體為CP3UB17應用提供了完整且經(jīng)過行業(yè)驗證的應用開發(fā)環(huán)境，如IAR Embedded Workbench、iSYSTEM winIDEA和iC3000 Active Emulator、開發(fā)板和應用軟件等。

CP3UB17憑借其豐富的功能、高性能和良好的擴展性，為嵌入式系統(tǒng)設計提供了一個強大的解決方案。在實際應用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設計。你在使用CP3UB17的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。