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32位ARM核微处理器芯片PUC2030A及其应用
摘要：介绍了３２位ＡＲＭ核微处理器芯片ＰＵＣ３０３０Ａ的结构和特点，分析了其具有竞争力的优异性能，列举了一些可能的应用领域。在某些应用领域，采用ＰＵＣ３０３０Ａ方案，系统成本远低于采用８０５１加扩展芯片的方案。关键词：ARM7TDMI SOC RISC CPU PUC3030A MP3
英国ＡＲＭ公司设计的３２位ＲＩＳＣ ?Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?ＣＰＵ芯核（简称ＡＲＭ芯核），具有功耗低、成本低等显著优点? 目前已占有７５％以上的３２位嵌入式产品市场。而ＡＲＭ系列芯片即为各个半导体厂家开发的基于ＡＲＭ芯核的芯片。目前设计、生产ＡＲＭ芯片的国际大公司已经超过１００多家，国内中兴集成电路和华虹等公司也已经购买ＡＲＭ公司的芯核用于通讯专用芯片和加密ＩＣ卡的设计。
ＰＵＣ３０３０Ａ是德国Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司开发的基于３２位ＡＲＭ核的高性能低功耗微处理器。采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核，内部集成了ＵＳＢ１．１接口控制器，ＲＴＣ为带日历和报警功能的实时时钟，内部看门电路，功率管理，加密控制器，２５６Ｋ字节ＦＬＡＳＨ?５６Ｋ字节ＳＲＡＭ等。在许多应用领域其系统成本远低于采用８０５１加扩展芯片的方案。由于Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司及其第三方设计室提供了众多的程序库，加上ＡＲＭ公司ＡＤＳ１．２集成开发环境支持Ｃ和Ｃ＋＋?使得其软件开发也十分容易。因此，ＰＵＣ３０３０Ａ将是许多电子产品方案的选择之一。
１ ＰＵＣ３０３０Ａ的结构特点及性能指标
ＰＵＣ３０３０Ａ的内部功能框图如图１所示。
ＰＵＣ３０３０Ａ内部为６４ＭＨｚ ＡＲＭ７ＴＤＭＩ ３２位微处理器，约６０ＭＩＰＳ，固定为小模式运行，可以处理ＭＰ３、ＡＡＣ等数字音频的解码和语音的编解码，具有完成一定数据处理分析的功能。ＰＵＣ３０３０Ａ内置４８ＫＢ通用ＳＲＡＭ和２５６ＫＢ Ｆｌａｓｈ ＲＡＭ。另有存储器保护单元和加密控制器，使其具有很好的程序和数据保密功能。
ＰＵＣ３０３０Ａ有内部ＰＬＬ和功率控制器，使用６ＭＨｚ外部晶体即可提供６４ＭＨｚ内部工作频率，支持操作、空闲、休眠和关断四种模式。
图1 PUC3030A的内部功能框图
ＰＵＣ３０３０Ａ的ＵＳＢ１．１接口支持控制传送、块传送、中断传送和等时传送方式。支持等时传送方式是ＰＵＣ３０３０Ａ的ＵＳＢ接口的一大特点，是其它大多数ＣＰＵ的内嵌ＵＳＢ控制器所不支持的功能。此功能可以支持ＵＳＢ音频和实时数据传输。其ＵＳＢ接口具有８ＫＢ ＦＩＦＯ? 也是其它大多数ＣＰＵ的内嵌ＵＳＢ控制器所不具备的，甚至比许多专用ＵＳＢ控制芯片具备更多的ＵＳＢ数据缓存空间。
ＰＵＣ３０３０Ａ具有可灵活设置的中断控制器?每个ＧＰＩＯ都可以被设置成ＦＩＱ或ＩＲＱ中断，每个ＧＰＩＯ的中断触发方式都可以设置成高电平触发、低电平触发、上升沿触发、下降沿触发等四种触发方式，使得指轮盘、红外接收器、键盘扫描等低速信号的处理完全可以处于背景程序中运行，不需要一直占用ＣＰＵ时间进行扫描检测。
另外，ＰＵＣ３０３０Ａ还有Ｉ２Ｃ主／从接口，６６个ＧＰＩＯ，５个同步串行口，主模式最高２４Ｍ位速率，从模式最高１６Ｍ位速率，支持ＳＰＩ、Ｉ２Ｓ，多个同步串行口使得ＰＵＣ３０３０Ａ 特别适用于多通道ＵＳＢ音频产品、ＬＥＤ多屏显示系统、多通道数据采集与控制系统。ＰＵＣ３０３０Ａ的２个全功能串行口支持高速红外数据传输（ＩｒＤＡ）。它还有３个３２位定时／计数器，内部看门狗定时器，ＲＴＣ实时时钟带日历和报警功能 ，ＢＧＡ８１封装芯片无此功能。
ＰＵＣ３０３０Ａ具有ＪＴＡＧ调试接口，支持Ｍｕｌｔｉ－ＩＣＥ、Ｔｒａｃｅ３２和Ｊｅｅｎｉ等ＪＴＡＧ调试开发工具和ＡＤＳ、ＳＤＴ２．５等开发软件，提供了良好的开发环境。
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有上述优异性能，在许多应用领域甚至比采用５１系列芯片更具有成本优势。这是因为：对于一般的应用，如果采用５１芯片，通常需要扩展１片ＳＲＡＭ芯片、１片ＲＴＣ芯片、１片Ｆｌａｓｈ芯片、２片８２５５ Ｉ／Ｏ扩展电路、１片ＵＳＢ控制芯片、１片看门狗电路；除了运算处理速度远低于ＰＵＣ３０３０Ａ芯片外，采用５１方案的成本远高于ＰＵＣ３０３０Ａ；由于布线多、ＰＣＢ板面积大等问题，使得采用５１方案的电路可靠性远低于采用ＰＵＣ３０３０Ａ的单芯片方案。
ＰＵＣ３０３０Ａ目前提供ＰＱＦＰ１００和ＬＦＢＧＡ８１两种封装形式。ＰＱＦＰ１００的封装尺寸为２３．２ｍｍ×１７．２ｍｍ，ＬＦＢＧＡ８１的封装尺寸为９ｍｍ×９ｍｍ。后者缺少ＲＴＣ功能，比前者的ＧＰＩＯ少，适合于ＰＣＢ面积特别小的场合。
２ ＰＵＣ３０３０Ａ具有竞争力的应用领域
２．１ 便携式带Ｕ盘功能的ＭＰ３播放器
由于ＰＵＣ３０３０Ａ支持Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ、ＭＭＣ、ＳＤＣ、ＣＦ卡等多种Ｆｌａｓｈ芯片和Ｆｌａｓｈ卡，并且可以通过ＧＰＩＯ模拟总线方式支持硬盘，因此它最适宜用来开发便携式带Ｕ盘功能的ＭＰ３播放器。
ＰＵＣ３０３０Ａ使用ＡＲＭ核进行ＭＰ３数据的存取和解码。ＡＲＭ公司提供了解码库，Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司移植到ＰＵＣ３０３０Ａ上。操作系统采用Ｍｉｃｒｏｎａｓ公司专门为便携式ＭＰ３播放器设计的实时操作系统，以库文件形式提供。因此，用户只需修改相应的键盘显示程序即可完成产品设计，大大缩短了用户的开发周期，减少人力资源的投入。
２．２ 支持长时间录音的数字录音笔
由于ＰＵＣ３０３０Ａ支持多种语音压缩格式，如果采用ＰＵＣ３０３０Ａ作为数据编解码处理器，再利用其内置的ＵＳＢ１．１接口作为数据传输接口，只需外接一片低成本的语音ＡＤＣ芯片和一片大容量的Ｆｌａｓｈ或ＭＭＣ卡即可构成一个支持长时间录音的数字录音笔。ＰＵＣ３０３０Ａ内置ＲＴＣ，可以自动记录每段录音的时间信息。
２．３ 基于ＵＳＢ１．１的便携式数据采集系统
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有适合于便携式数据采集系统的传输控制和数据处理功能，因此，在采用ＵＳＢ总线供电时，只需外接ＡＤＣ／ＤＡＣ和电源管理芯片就可以构成完整的ＵＳＢ数据采集系统。而且，由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有实时数据无损压缩的能力，在某些应用场合，如数据量大且数据可压缩比大的音频和图像数据的采集系统，可以在低成本的ＵＳＢ１．１标准下实现高保真的传送。
２．４ 手持式水表抄表系统
在ＰＵＣ３０３０Ａ推出之前， 由笔者承接开发的手持式水表抄表系统，采用了Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｂ４４Ｘ０芯片，需要外部扩展一片ＵＳＢ接口芯片ＵＳＢＮ９６０３、一片ＢｏｏｔＲｏｍ芯片２９Ｃ０４０、一片用于提供程序运行空间的外部ＳＤＲＡＭ。而改用ＰＵＣ３０３０Ａ后， 由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有上述４种芯片的功能，可以用ＰＵＣ３０３０Ａ代替。这样大大减少了ＰＣＢ板面积，简化了布线工作，显著地提高了系统的可靠性。另外，ＰＵＣ３０３０Ａ的系统功耗很低，这个优点尤其适宜电池供电的手持式仪器。
２．５ 税控收款机
由于ＰＵＣ３０３０Ａ具有良好的程序和数据加密功能，并具有强大的数据处理能力，可以运行数据库。而且，其内部的ＲＴＣ时钟可以提供每笔收款的时间记录，２个全功能（含ＲＸＤ、ＣＴＳ、ＤＳＲ、ＤＣＤ、ＲＴＳ、ＤＴＲ、ＲＩ、ＴＸＤ）的ＵＡＲＴ接口可以方便地与各种条码阅读器、磁卡阅读器、ＩＣ卡阅读器和Ｍｏｄｅｍ等设备连接。
２．６ ＵＳＢ条码阅读器／磁卡阅读机／智能卡读写及指纹识别门锁／考勤机
ＰＵＣ３０３０Ａ内置ＵＳＢ接口和ＲＴＣ，并具有良好的程序和数据加密功能，且系统功耗低，可以构成ＵＳＢ总线供电的单芯片条码阅读器／磁卡阅读机／智能卡读写机及指纹识别门锁／考勤机，不再需要外界电源变压器和串口线等，易于安装和使用。内部ＲＴＣ可以提供每条记录的时间信息。
２．７ ＬＥＤ多屏显示系统
ＬＥＤ多屏显示系统广泛应用于机场、车站和码头等场合。ＰＵＣ３０３０Ａ的高速处理功能和多达５个高速ＳＰＩ接口，使得它特别适用于ＬＥＤ多屏显示系统。传统的ＬＥＤ显示屏幕，基本上采用８０５１ ８位处理器外加许多扩展芯片构成控制系统。下面以最常见的ＬＥＤ显示屏产品为例，对采用ＰＵＣ３０３０Ａ的方案和采用５１芯片加扩展芯片的方案作一对比，如表１所示。
表1 采用PUC3030A的方案与采用51芯片加扩展芯片的方案比较
RTC
程序存储器
GPIO
总线扩展
PC通讯 内置
内置
内置
内置
不需要
内置USB 62C256一片
DS12887一片
29C040一片
8255二片
74HC373一片
MAX3232一片 PCB面积 40mm×40mm 120mm×200mm 布线复杂程度 低 高 可靠性 高 低 独立复杂图像处理 支持 不能独立处理，需PC机协助 其他 单一芯片，库存管理和采购工作量小 芯片多，库存管理和采购工作量大，总体成本高
除了上述应用场合，ＰＵＣ３０３０Ａ还可以应用于其他许多领域，尤其是需要带ＵＳＢ接口、Ｆｌａｓｈ、ＲＴＣ、多同步串口、多异步串口等资源的应用场合。
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