从系统框图解读LPC800的配置与特性

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系统框图是快速了解MCU产品的最佳途径，当接触一个新型号的产品时，一般第一个要求就是看系统框图。

系统框图中不但给出了芯片中功能模块的配置信息，而且读者往往可以从框图中各个模块所摆放的位置，以及它们之间的关系，解读出很多有用甚至关键的信息。

不少初学MCU的同学，往往会忽略系统框图的解读，希望大家阅读本文之后，能够掌握这一重要的学习方法。


LPC81x/82x

下面先展示一下LPC81x/82x的框图，然后再进行一些解读。
图1. LPC81x系统框图


图2. LPC82x系统框图


从上面两个框图中，可以得到以下一些基本信息：
① LPC81x与LPC82x在系统架构上是一样的。两者都是使用Cortex-M0+作为CPU核心，CPU通过AHB轻总线连接片内存储器(包括Flash、SRAM和ROM)，同时经AHB至APB的桥接连接访问各种片上外部设备。

② GPIO模块与CPU有直接通道，CPU对它的访问不需经过AHB或APB总线。这是Cortex-M0+核心的主要特色之一，可以实现快速的GPIO访问。由于有此直接通道，GPIO的最快输入输出速度可以达到CPU时钟速度的1/2，相对于Cortex-M3/M4产品，由于需要通过普通的系统总线，GPIO只能达到CPU时钟速度的1/4，有本质的区别。

③ 框图里可以清晰准确地看出，每个系列的外设配置情况，包括外设的种类、数量、输入输出信号以及信号方向等。这里举几个例子，更详细地看看：
a.LPC81x和LPC82x都具有3个USART模块，每个USART模块都有5个输入输出信号。
b.LPC82x具有4个I2C模块，但LPC81x只有1个I2C模块。
c.LPC82x具有ADC功能，但LPC81x没有。ADC模块最多有12个输入端。
d.两个系列都有SCT定时器，但LPC82x的SCT定时器输入端具有一个“输入选择器”，而LPC81x的输入端是与外界(通过开关矩阵)直接相连。

④ 我们知道CPU访问AHB上的设备的速度，要快于访问APB上的设备，优先级也较高。从框图中可以看到所有的外设，包括系统配置(SYSCON)和输入输出配置(IOCON)寄存器组，都是连接到APB总线，而SCT定时器却是连接到AHB总线上，这样的安排是为了保证可以更快地操控SCT。

⑤ LPC82x具有DMA控制器，它连接到AHB总线上。LPC81x不具备DMA控制器。框图中灰色框所标示的设备，能够触发或请求DMA传输。

⑥ 所有功能模块的对外连接，都是通过“开关矩阵”实现的。

⑦ 两个系列分别有18或29个连接到开关矩阵的输入输出引脚，同时具有18或29个GPIO输入输出信号线。GPIO模块的输入输出信号是如何通过开关矩阵连接到外部引脚的，以后会再做详细介绍。

在芯片中，每一个功能模块都相对独立，它们通过一些功能信号与其它模块连接互动；这些功能信号除了供电、时钟、中断是每个模块都需要的以外，就是连接到AHB或APB总线上的总线信号(包括地址、数据和控制信号等)，CPU通过总线信号访问功能模块的寄存器组，实现配置和控制以及数据交换。在框图中，每个功能模块靠近总线一侧的双箭头标志，就是该模块的总线信号。

对于具有需要连接到外部引脚的信号，框图中用单线箭头标示出该信号的方向，并标注了信号名称。对于没有连接到外部引脚的模块，框图中只画出了它们的总线信号。例如加窗看门狗定时器、多速率定时器、CRC计算器、DMA控制器等模块。

要特别提一下的是IOCON(输入输出配置)这个模块，框图中画出了它与APB总线连接的这一端，这表示CPU通过APB总线访问IOCON的寄存器组，图中没有画出的是IOCON所控制的每一个IO引脚的部分，这部分内容会在以后介绍IOCON时再进行展示。



LPC83x

LPC83x的框图与LPC82x的框图非常相像，如果仔细比较就会发现以下一些差别：
- LPC83x没有模拟比较器。
- LPC83x中配置的USART和I2C数量较少
- LPC83x的RAM容量较小
细心的读者可以从用户手册的存储器地址空间的分配表中，看到更加详细的差别来。下面是LPC83x的存储器空间分配图的片段。
图3. LPC83x存储器地址空间分配图(片段)


图4. LPC83x系统框图

当然，细心的读者也注意到了，LPC83x的适用工作温度范围是-40°C ~ +85°C，LPC81x/LPC82x和LPC84x的适用工作温度范围扩大到-40°C ~ +105°C。



LPC84x

LPC84x相较前面几个系列做了很大的扩充，整体的结构没有变，存储器变大了，增加了一些新的外设，引脚数目也增加了很多，使得她的应用范围更广，功能更灵活。

LPC84x的数据手册和用户手册中，在框图的画法上换了一种风格，这样画更强调功能性以及模块的配置。同时在这个框图中，可以比前面几个系列的框图更直观地看到AHB总线矩阵的连接方式，读者可以更清晰地了解系统运行时的性能。

图5. LPC84x系统框图(功能配置)


上图中的绿色虚线框部分就是AHB矩阵，框中的竖线是两个总线主设备，横线是总线的从设备。从设备的区分在于，主设备能够主动发起数据传输，主设备需要发出读写控制信号和驱动地址信号线，从设备只能被动地接受地址和控制信号，发送或接收数据。

在AHB矩阵中，共有五组从设备：
1、默认存储执行指令的Flash闪存和ROM。
2、第一个8KB的SRAM，此存储区的基本功能是存放程序运行时的数据，也可以用于存储Cortex-M0+核心执行指令的追踪信息，供调试程序用。
3、第二个8KB的SRAM，此存储区不能用于存放追踪信息。
4、AHB至APB的桥。
5、SCT定时器、DMA控制器、CRC计算器、MTB控制器和FAIM控制器。

不同的主设备可以同时访问不在同一组的从设备，例如在CPU从Flash取指令并执行时，DMA控制器可以同时在SRAM中搬移数据；或者当CPU在第一个SRAM区存取数据的同时，DMA控制器在另一个SRAM区存取数据。

处在同一组的从设备，只能按顺序分别被访问。

读者了解了这些内部构造，可以根据自己的需要合理安排程序的执行顺序，最大限度地利用芯片内部的数据通路，实现最佳性能。

在APB总线上，挂了很多设备，图中设备的顺序是按照它们的寄存器组，在存储空间分配的地址顺序排列的。对照用户手册中的存储器地址映像表，可以知道每个APB外设的寄存器组分别占据了16KB的地址空间，看门狗的寄存器组处于所有APB外设地址空间的最低地址。

下面的框图是按照LPC81x/LPC82x/LPC83x的风格，从使用者的视角画的系统框图。

图6. LPC84x系统框图(程序员视角)


与其它几个系列的框图比较，我们可以看出LPC84x有不少新的东西：
① 更多的Flash和SRAM容量。
② FAIM模块。FAIM用于在启动时配置其它模块的初始状态，包括引脚的方向和上拉或下拉，启动时的ISP端口和配置，以及为低功耗而设置的低主频启动等。
③ 定时器CTimer。该32位定时器有四个输入捕获和四个输出匹配信号，但芯片上只引出了三个捕获和三个匹配信号，可以与外部引脚相连。
④ 两个10位DAC模块。
⑤ 电容触摸按键模块，该模块可以最多连接9个按键，或组合配置为滑条或旋转盘。
⑥ 从LPC82x最多的29个输入输出引脚，大幅增加到54个引脚，而且所有引脚功能都是经过开关矩阵的配置。
⑦ STC定时器的输出信号，比LPC82x/83x增加了一个，达到7个。
⑧ 模拟比较器的输入端，比LPC81x/82x增加了三个，达到5个。

与前面的框图相比，图6中还可以看到一个“JTAG测试和边界扫描接口”，和一些信号线从“时钟发生器，电源控制”模块引出，这些内容在其它系列里面也有相同的部分存在，只是没有画出来而已。

用于程序追踪调试的MTB存储器和控制接口，在其它系列里也是存在的，同样也没有画在系统框图中。



LPC80x

前不久恩智浦又发布了一个新的子系列——LPC80x，分别有LPC802和LPC804两种配置，及多种封装形式，详细内容可以参考以下两篇文章：
小巧‘零’珑的MCU：LPC80x面面观
LPC800系列选型指南

下面是LPC802和LPC804的框图，此处不多做解释，读者可以结合前面几个子系列的框图，对照比较之后就能够看出区别来。
图7. LPC802系统框图


图8. LPC804系统框图


图中可以明显看出，LPC804是LPC802的增强版，增加了电容触摸接口、可编程逻辑单元(PLU)、10位的DAC输出、一个I2C接口，存储器容量也增加了一倍，性价比更高了。



结束
本文通过展示系统框图，简单地介绍了一下LPC800系列中各个子系列的功能配置情况。随后会有一系列的文章，分别介绍框图中的各个模块，敬请期待。

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