SHARP LH75400/01/10/11 系統(tǒng)級(jí)芯片深度解析

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越、功能豐富的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）往往能為產(chǎn)品帶來(lái)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列 SoC 就是這樣一款值得深入研究的產(chǎn)品。本文將對(duì)該系列芯片的特性、功能模塊、電氣參數(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)解析，為電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供全面的參考。

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一、產(chǎn)品概述

SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列由四款低成本的 16/32 位系統(tǒng)級(jí)芯片組成，分別為 LH75401、LH75411、LH75400 和 LH75410。它們?cè)诠δ苌细饔刑攸c(diǎn)：

• LH75401：具備最全的功能特性。
• LH75411：與 LH75401 類似，但不支持 CAN 2.0B。
• LH75400：與 LH75401 類似，不過(guò)僅配備灰度 LCDC。
• LH75410：與 LH75400 類似，同樣不支持 CAN 2.0B。

二、核心特性

（一）高度集成

該系列芯片集成了 ARM7TDMI - S 內(nèi)核，擁有高性能的處理能力，CPU 速度可達(dá) 84 MHz，可通過(guò)內(nèi)部 PLL 驅(qū)動(dòng)或外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，芯片還集成了多種功能模塊，如 32KB 的片上 SRAM（包括 16KB 的緊密耦合內(nèi)存 TCM SRAM 和 16KB 的內(nèi)部 SRAM）、時(shí)鐘和電源管理模塊、八通道 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、集成觸摸屏控制器等。

（二）豐富的接口

1. 串口接口：包含兩個(gè) 16C550 型 UART，支持高達(dá) 921,600 波特的波特率（需 14.756 MHz 的晶體頻率）；一個(gè) 82510 型 UART，支持高達(dá) 3,225,600 波特的波特率（需 70 MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘）。
2. 同步串口：支持 Motorola SPI?、National Semiconductor Microwire? 和 Texas Instruments SSI 三種同步串行通信協(xié)議。
3. CAN 控制器：LH75401 和 LH75400 支持 CAN 2.0B 協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)可靠的 CAN 通信。

（三）顯示控制

LH75401 和 LH75411 支持彩色和灰度液晶顯示控制，可驅(qū)動(dòng)多種類型的顯示屏，如 STN、TFT、HR - TFT 和 AD - TFT 等，具備可編程的分辨率和多種顏色模式。而 LH75400 和 LH75410 則僅支持灰度 LCDC。

三、功能模塊詳解

（一）ARM7TDMI - S 處理器

該系列芯片采用 ARM7TDMI - S 內(nèi)核，這是一款 16/32 位的嵌入式 RISC 處理器，屬于 ARM7 Thumb 處理器家族。它通過(guò) Advanced High - Performance Bus (AHB) 2.0 接口與其他模塊進(jìn)行通信，為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的處理能力。

（二）總線架構(gòu)

芯片采用 ARM Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA) 2.0 內(nèi)部總線協(xié)議，有三個(gè) AHB 主設(shè)備控制對(duì)外部?jī)?nèi)存和片上外設(shè)的訪問(wèn)：

1. ARM 處理器：負(fù)責(zé)指令獲取和數(shù)據(jù)傳輸。
2. 直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（DMAC）：實(shí)現(xiàn)內(nèi)存到內(nèi)存、外設(shè)到內(nèi)存以及內(nèi)存到外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。
3. LCDC：從外部?jī)?nèi)存或內(nèi)部?jī)?nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，刷新 LCD 面板。

（三）電源供應(yīng)

芯片采用 5V 容忍的 3.3V I/O，僅需單一的 3.3V 電源供應(yīng)。核心邏輯需要 1.8V 電源，可由片上線性穩(wěn)壓器提供，也可外部供電以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)速度。

（四）時(shí)鐘源

芯片可使用兩個(gè)晶體振蕩器或外部提供的時(shí)鐘，有兩個(gè)時(shí)鐘樹：

1. 一個(gè)時(shí)鐘樹驅(qū)動(dòng)內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）和三個(gè) UART，支持 14 MHz 至 20 MHz 的晶體振蕩器頻率范圍。
2. 另一個(gè)是 32.768 kHz 的振蕩器，為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）生成 1 Hz 的時(shí)鐘。

（五）復(fù)位生成

芯片有兩種外部復(fù)位信號(hào)（nPOR 和 nRESETIN）和兩種內(nèi)部復(fù)位（系統(tǒng)復(fù)位和 RTC 復(fù)位）。復(fù)位延遲取決于 PLL 的鎖定狀態(tài)。

（六）內(nèi)存接口架構(gòu)

芯片提供了豐富的數(shù)據(jù)路徑管理資源，包括 AHB 和 APB 數(shù)據(jù)總線、16KB 的零等待狀態(tài) TCM SRAM、16KB 的內(nèi)部 SRAM、靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）和 4 流通用 DMAC。所有外部和內(nèi)部系統(tǒng)資源都進(jìn)行了內(nèi)存映射，內(nèi)存映射分區(qū)有三種視圖，可根據(jù)復(fù)位、時(shí)鐘和電源控制器（RCPC）中的 REMAP 位設(shè)置進(jìn)行切換。

（七）各功能模塊特性

1. 靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存控制器（SRAM）：有 32KB 的靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存，分為兩個(gè) 16KB 塊，分別為 TCM SRAM 和內(nèi)部 SRAM。
2. 靜態(tài)內(nèi)存控制器（SMC）：提供四個(gè)外部?jī)?nèi)存銀行，支持多種內(nèi)存映射設(shè)備，支持異步突發(fā)模式讀取訪問(wèn)和可變的總線周轉(zhuǎn)周期。
3. 直接內(nèi)存訪問(wèn)控制器（DMAC）：有四個(gè)數(shù)據(jù)流，支持三種傳輸模式，具備內(nèi)置的數(shù)據(jù)流仲裁器和可編程寄存器。
4. 彩色 LCD 控制器（CLCDC）：將像素編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng) LCD 面板所需的格式和時(shí)序，支持多種顯示類型和分辨率。
5. 通用異步收發(fā)器（UARTs）：包含三個(gè) UART，UART0 和 UART1 功能類似于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 16C550，UART2 功能類似于 82510，支持多種波特率和字符格式。
6. 定時(shí)器：有三個(gè) 16 位定時(shí)器，支持 PWM 模式和捕獲/比較功能，可生成中斷。
7. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）：提供基本的鬧鐘功能或作為長(zhǎng)時(shí)間基計(jì)數(shù)器，可生成中斷信號(hào)。
8. 控制器局域網(wǎng)（CAN）：支持 CAN 2.0B 協(xié)議，具備多種特性，如支持 11 位和 29 位標(biāo)識(shí)符、高達(dá) 1Mbit/s 的比特率等。
9. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）/欠壓檢測(cè)器：集成了 8 通道、10 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和觸摸屏控制器，具備欠壓檢測(cè)功能。
10. 同步串口（SSP）：是一個(gè)主設(shè)備接口，支持三種同步串行通信模式，具備可編程的時(shí)鐘比特率和數(shù)據(jù)幀大小。
11. 看門狗定時(shí)器（WDT）：由一個(gè) 32 位的遞減計(jì)數(shù)器組成，可檢測(cè)故障，支持 16 個(gè)可選的時(shí)間間隔。
12. 向量中斷控制器（VIC）：處理所有內(nèi)部和外部中斷，確定中斷優(yōu)先級(jí)，生成相應(yīng)的信號(hào)給處理器。
13. 復(fù)位、時(shí)鐘和電源控制器（RCPC）：控制系統(tǒng)復(fù)位、時(shí)鐘、電源管理和外部中斷調(diào)節(jié)，支持多種電源模式和時(shí)鐘生成。

四、電氣參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

包括直流核心電源電壓、直流 I/O 電源電壓、直流 ADC 模擬電源電壓、直流 PLL 模擬電源電壓和存儲(chǔ)溫度等參數(shù)，操作時(shí)需注意不要超過(guò)這些額定值，以免影響設(shè)備可靠性和造成永久性損壞。

（二）推薦工作條件

給出了直流核心電源電壓、直流 ADC 模擬電源電壓、直流 I/O 電源電壓、直流 PLL 模擬電源電壓、時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘周期、晶體頻率和工業(yè)工作溫度等參數(shù)的推薦范圍。

（三）時(shí)鐘頻率與電壓、溫度的關(guān)系

不同溫度和電壓下，芯片的時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘周期會(huì)有所變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的電壓和溫度條件，以確保芯片的性能穩(wěn)定。

（四）直流特性

規(guī)定了 CMOS 輸入高電壓、CMOS 輸入低電壓、施密特觸發(fā)器正閾值、施密特觸發(fā)器負(fù)閾值、施密特觸發(fā)器滯后、輸出驅(qū)動(dòng)電壓、輸入泄漏電流、有源電流、待機(jī)電流、睡眠電流、停止電流等參數(shù)。

（五）線性穩(wěn)壓器直流特性

包括靜態(tài)電流、調(diào)節(jié)器禁用時(shí)的電流、輸出電流范圍、輸出電壓和上拉電阻等參數(shù)。

（六）模數(shù)轉(zhuǎn)換器電氣特性

在工業(yè)工作范圍內(nèi)，規(guī)定了 A/D 分辨率、吞吐量轉(zhuǎn)換、采集時(shí)間、時(shí)鐘頻率、差分非線性、積分非線性、偏移誤差、增益誤差、片上電壓參考、負(fù)參考輸入、正參考輸入、通道間串?dāng)_、模擬輸入電壓范圍、模擬輸入電流、參考輸入電流、模擬輸入電容、工作電源電壓、工作電流、待機(jī)電流、停止電流、欠壓跳閘點(diǎn)、欠壓滯后和工作溫度等參數(shù)。

五、操作模式

芯片支持三種操作模式：正常模式、PLL 旁路模式和嵌入式 ICE 模式。通過(guò) TEST1、TEST2 和 nRESETIN 信號(hào)的狀態(tài)可確定上電復(fù)位時(shí)進(jìn)入的操作模式。

六、引腳復(fù)用

芯片的引腳具有復(fù)用功能，不同的 LCD 面板模式下，引腳的功能會(huì)有所不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際使用的 LCD 面板類型和模式，合理配置引腳的功能。

七、電源供應(yīng)和電流消耗

（一）電源供應(yīng)順序

使用外部 1.8V 電源時(shí)，外部 1.8V 電源必須在 3.3V 電源之前通電，否則 1.8V 電源滯后 3.3V 電源的時(shí)間不得超過(guò) 10μs。若需要更長(zhǎng)的延遲時(shí)間，兩個(gè)電源之間的電壓差在電源上升期間必須在 1.5V 以內(nèi)。

（二）電流消耗

不同操作模式下，芯片的電流消耗不同。包括有源模式、待機(jī)模式、睡眠模式、停止 1 模式和停止 2 模式（RTC 開啟和關(guān)閉）的電流消耗。同時(shí)，還給出了各外設(shè)的典型電流消耗。

八、波形和時(shí)序圖

文檔中提供了內(nèi)存接口信號(hào)、同步串口、電源上電穩(wěn)定、靜態(tài)內(nèi)存控制器、DMA 控制器和彩色 LCD 控制器的波形和時(shí)序圖，這些圖對(duì)于理解芯片的工作原理和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)非常重要。

九、建議的外部組件

對(duì)于 32.768 kHz 和 14.7456 MHz 的晶體電路，文檔給出了建議的外部組件，包括晶體、電阻和電容的參數(shù)和連接方式。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)按照這些建議選擇合適的外部組件，以確保芯片的正常工作。

十、總結(jié)

SHARP 的 LH75400/01/10/11 系列 SoC 是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的系統(tǒng)級(jí)芯片，具有高度集成、豐富的接口和多種功能模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的需求，合理選擇芯片型號(hào)，正確配置各功能模塊，注意電源供應(yīng)和時(shí)鐘源的選擇，以及引腳復(fù)用和外部組件的使用。通過(guò)對(duì)這些方面的深入理解和合理設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮該系列芯片的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出高性能、穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)。你在使用這款芯片的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。