CP3UB17：可重編程連接處理器的技術(shù)剖析

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的連接處理器對(duì)于實(shí)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(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。下面我們就來(lái)深入了解一下CP3UB17的各項(xiàng)特性。

文件下載：CP3UB17K38/NOPB.pdf

一、總體概述

CP3UB17將強(qiáng)大的RISC內(nèi)核與片上SRAM和閃存相結(jié)合，具備高計(jì)算帶寬。同時(shí)，它擁有硬件通信外設(shè)，提供高I/O帶寬，還配備外部總線以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展性。片上通信外設(shè)涵蓋USB控制器、ACCESS.bus、Microwire/Plus、SPI、UART和高級(jí)音頻接口（AAI）等。此外，還有DMA控制器、CVSD/PCM轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)和看門狗單元、多功能定時(shí)器等片上外設(shè)。并且，它還擁有多輸入喚醒功能，為系統(tǒng)的低功耗運(yùn)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(yùn)行，且零等待/保持狀態(tài)。在24 MHz內(nèi)部時(shí)鐘頻率下，基于12 MHz外部輸入，指令周期時(shí)間最短可達(dá)41.7 ns。它還擁有30個(gè)獨(dú)立向量的外設(shè)中斷，能及時(shí)響應(yīng)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(chǔ)應(yīng)用程序和實(shí)時(shí)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(wèn)。
• 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(chǔ)最終用戶輸入的數(shù)據(jù)，如配置設(shè)置。
• 靜態(tài)RAM：10K字節(jié)的靜態(tài)RAM用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序棧和中斷棧，讀寫(xiě)操作可根據(jù)CPU執(zhí)行的指令進(jìn)行字節(jié)或字寬操作。
• 外部?jī)?nèi)存：100引腳的設(shè)備可支持最多8M字節(jié)的外部?jī)?nèi)存，通過(guò)外部總線進(jìn)行擴(kuò)展。

3. 硬件通信外設(shè)

• USB節(jié)點(diǎn)：全速USB節(jié)點(diǎn)，包含七個(gè)端點(diǎn)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(yàn)和錯(cuò)誤檢測(cè)功能。
• 高級(jí)音頻接口（AAI）：可連接外部8/13位PCM編解碼器以及通過(guò)IOM - 2接口連接ISDN控制器（僅作為從設(shè)備）。
• CVSD/PCM轉(zhuǎn)換器：支持一個(gè)雙向音頻連接。

4. 通用硬件外設(shè)

• 多功能定時(shí)器：雙16位多功能定時(shí)器，可配置多種工作模式，如處理器獨(dú)立脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式、雙輸入捕獲模式等。
• 通用定時(shí)器單元（VTU）：包含四個(gè)獨(dú)立的定時(shí)器子系統(tǒng)，可工作在不同的配置下，每個(gè)子系統(tǒng)都有8位時(shí)鐘預(yù)分頻器，以適應(yīng)不同的頻率需求。
• DMA控制器：四個(gè)通道的DMA控制器，可加速內(nèi)存與I/O設(shè)備之間或兩個(gè)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(shí)和看門狗單元：包含實(shí)時(shí)定時(shí)器和看門狗單元，實(shí)時(shí)定時(shí)器可生成周期性實(shí)時(shí)系統(tǒng)中斷，看門狗單元用于檢測(cè)應(yīng)用程序是否陷入無(wú)限循環(huán)，觸發(fā)時(shí)將重置設(shè)備。

5. 靈活I(lǐng)/O

CP3UB17最多有37個(gè)通用I/O引腳，這些引腳與片上外設(shè)I/O引腳共享。每個(gè)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(shí)鐘管理

• 鎖相環(huán)（PLL）：片上鎖相環(huán)支持多種時(shí)鐘選項(xiàng)，可將外部12 MHz輸入時(shí)鐘提升至24 MHz的主時(shí)鐘。
• 雙時(shí)鐘和復(fù)位：提供主系統(tǒng)時(shí)鐘和32.768 kHz的慢速時(shí)鐘，慢速時(shí)鐘可用于節(jié)能模式，并且可通過(guò)外部晶體網(wǎng)絡(luò)或從高速時(shí)鐘分頻獲得。
• 電源模式：支持四種電源模式，包括活動(dòng)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(yīng)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(fù)位功能。溫度范圍為 -40°C至 +85°C（工業(yè)級(jí)），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(yīng)用需求。

三、設(shè)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(gè)時(shí)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(shè)備可擴(kuò)展外部?jī)?nèi)存。閃存內(nèi)存的編程所需電壓由設(shè)備內(nèi)部生成，無(wú)需額外電源。

3. I/O端口

多達(dá)37個(gè)軟件可配置的I/O引腳，分為五個(gè)端口，每個(gè)引腳可配置為通用輸入或輸出，也可作為片上外設(shè)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(duì)內(nèi)部/外部?jī)?nèi)存和I/O的訪問(wèn)，通過(guò)控制寄存器確定總線訪問(wèn)的參數(shù)，如內(nèi)存訪問(wèn)的等待狀態(tài)和保持狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí)，配置寄存器設(shè)置為最慢的內(nèi)存訪問(wèn)，為實(shí)現(xiàn)最快的程序執(zhí)行，需根據(jù)時(shí)鐘頻率和外部設(shè)備類型進(jìn)行適當(dāng)編程。

5. 中斷控制單元（ICU）

接收來(lái)自內(nèi)部和外部源的中斷請(qǐng)求，并向CPU生成中斷。定時(shí)器、UART、Microwire/SPI接口和多輸入喚醒等中斷為可屏蔽中斷，可通過(guò)軟件啟用或禁用，共有32個(gè)可屏蔽中斷，分配到32個(gè)線性優(yōu)先級(jí)級(jí)別。最高優(yōu)先級(jí)中斷為不可屏蔽中斷（NMI），由NMI輸入引腳接收到的信號(hào)觸發(fā)。

6. USB節(jié)點(diǎn)

是一個(gè)兼容USB 1.0和1.1規(guī)范的通用串行總線（USB）節(jié)點(diǎn)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(diǎn)FIFOs，支持七個(gè)端點(diǎn)管道，可實(shí)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(shè)備，也可提供來(lái)自外部源的通用邊緣觸發(fā)可屏蔽中斷。該模塊有16個(gè)輸入通道，可根據(jù)接收到的信號(hào)生成四個(gè)可編程中斷到CPU，通道可單獨(dú)啟用或禁用，并可編程為對(duì)正或負(fù)邊緣響應(yīng)。

8. 三重時(shí)鐘和復(fù)位模塊

從外部晶體網(wǎng)絡(luò)生成高速主系統(tǒng)時(shí)鐘，提供主系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)和上電復(fù)位功能。還可從可選的外部晶體網(wǎng)絡(luò)生成慢速系統(tǒng)時(shí)鐘（32.768 kHz），用于節(jié)能模式。同時(shí)，該模塊還提供兩個(gè)從高速時(shí)鐘分頻得到的獨(dú)立時(shí)鐘輸出引腳。

9. 電源管理模塊（PMM）

通過(guò)改變?cè)O(shè)備的工作模式和功耗來(lái)匹配所需的活動(dòng)水平，提高設(shè)備效率。設(shè)備可在活動(dòng)、節(jié)能、空閑和暫停四種電源模式下運(yùn)行。

10. 其他模塊

• 多功能定時(shí)器（MFT）：包含一對(duì)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器寄存器，可配置多種工作模式。
• 通用定時(shí)器單元（VTU）：四個(gè)獨(dú)立的定時(shí)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(yàn)和錯(cuò)誤檢測(cè)功能，可通過(guò)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(shè)備進(jìn)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(shí)鐘，從模式下可通過(guò)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(shè)備，通過(guò)多輸入喚醒模塊可從低功耗模式喚醒。
• DMA控制器：四個(gè)獨(dú)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(qǐng)求。
• 高級(jí)音頻接口（AAI）：提供與編解碼器和類似串行設(shè)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(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)幀。
• CVSD/PCM轉(zhuǎn)換模塊：實(shí)現(xiàn)CVSD和PCM數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，CVSD編碼符合藍(lán)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(shè)置最多四個(gè)硬件斷點(diǎn)，可作為CPU總線主設(shè)備訪問(wèn)所有內(nèi)存映射資源，還可通過(guò)JTAG接口快速將程序下載到片上閃存程序內(nèi)存。

四、設(shè)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(gè)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(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選擇引腳，并注意引腳的電氣特性。

五、開(kāi)發(fā)支持

CP3UB17為設(shè)計(jì)師提供了快速上市所需的軟件資源，包括操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)、參考設(shè)計(jì)和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。國(guó)家半導(dǎo)體為CP3UB17應(yīng)用提供了完整且經(jīng)過(guò)行業(yè)驗(yàn)證的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，如IAR Embedded Workbench、iSYSTEM winIDEA和iC3000 Active Emulator、開(kāi)發(fā)板和應(yīng)用軟件等。

CP3UB17憑借其豐富的功能、高性能和良好的擴(kuò)展性，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案。在實(shí)際應(yīng)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(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用CP3UB17的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。