LPC18S50/S30/S10：32 位 ARM Cortex - M3 微控制器的深度解析

在嵌入式系统设计领域，选择一款合适的微控制器至关重要。NXP 推出的 LPC18S50/S30/S10 32 位 ARM Cortex - M3 微控制器，凭借其丰富的功能和出色的性能，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解这款微控制器。

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一、概述

LPC18S50/S30/S10 是基于 ARM Cortex - M3 内核的微控制器，专为嵌入式应用设计，具备安全特性。它能在高达 180 MHz 的 CPU 频率下运行，采用 3 级流水线和哈佛架构，拥有独立的本地指令和数据总线，以及用于外设的第三总线，还包含支持推测分支的内部预取单元。

这款微控制器集成了多达 200 kB 的片上 SRAM、带 AES 引擎的安全特性、Quad SPI Flash 接口（SPIFI）、状态可配置定时器/脉宽调制器（SCTimer/PWM）子系统、两个高速 USB 控制器、以太网、LCD、外部存储器控制器以及多个数字和模拟外设。

二、特性与优势

（一）处理器核心

• 高性能内核：ARM Cortex - M3 处理器，运行频率高达 180 MHz，内置支持八个区域的内存保护单元（MPU）和嵌套向量中断控制器（NVIC），具备不可屏蔽中断（NMI）输入。
• 调试功能强大：支持 JTAG 和串行线调试、串行跟踪、八个断点和四个观察点，还具备增强跟踪模块（ETM）和增强跟踪缓冲区（ETB）。
• 系统滴答定时器：可按 10 ms 间隔生成专用的 SYSTICK 异常。

（二）片上内存

• 大容量 SRAM：提供 200 kB 的 SRAM 用于代码和数据存储，多个 SRAM 块具有独立的总线访问，提高了数据处理效率。
• ROM 与 OTP 内存：64 kB 的 ROM 包含引导代码和片上软件驱动；64 位一次性可编程（OTP）内存用于通用用途，两个 256 位的 OTP 内存用于 AES 密钥存储，其中一个存储加密密钥用于解码引导映像。
• AES 引擎：支持通过基于 ROM 的 API 进行 AES 加密和解密，具备随机数生成器（RNG），可对连接到 Quad SPI Flash 接口（SPIFI）的外部闪存数据进行解码，确保数据安全。

（三）时钟生成单元

• 多时钟源：支持 1 MHz 至 25 MHz 的晶体振荡器、12 MHz 内部 RC 振荡器（精度达 1.5%）和超低功耗 RTC 晶体振荡器。
• PLL 灵活配置：三个 PLL 允许 CPU 在无需高频晶体的情况下达到最大速率，第二个 PLL 专用于高速 USB，第三个 PLL 可作为音频 PLL。
• 时钟输出：提供时钟输出功能，方便系统时钟同步。

（四）丰富的外设接口

1. 串行接口
   • Quad SPI Flash 接口（SPIFI）：支持 1、2 或 4 位数据传输，速率高达 52 MB 每秒。
   • 以太网：10/100T 以太网 MAC，具备 RMII 和 MII 接口，支持 DMA，支持 IEEE 1588 时间戳和高级时间戳（IEEE 1588 - 2008 v2）。
   • USB 接口：一个高速 USB 2.0 主机/设备/OTG 接口（USB0）和一个高速 USB 2.0 主机/设备接口（USB1），均支持 DMA，USB 接口电气测试软件包含在 ROM USB 堆栈中。
   • UART 和 USART：四个 550 UART 支持 DMA，其中一个 UART 具备完整调制解调器接口，一个 UART 具备 IrDA 接口，三个 USART 支持 UART 同步模式和符合 ISO7816 规范的智能卡接口。
   • SSP 控制器：两个 SSP 控制器具备 FIFO 和多协议支持，均支持 DMA。
   • I2C 接口：一个快速模式增强型 I2C 总线接口和一个标准 I2C 总线接口，支持高达 1 Mbit/s 的数据速率。
   • I2S 接口：两个 I2S 接口支持 DMA，每个接口有一个输入和一个输出。
2. 数字外设
   • 外部存储器控制器（EMC）：支持外部 SRAM、ROM、NOR 闪存和 SDRAM 设备。
   • LCD 控制器：支持高达 1024 H × 768 V 的可编程显示分辨率，支持单色和彩色 STN 面板以及 TFT 彩色面板，支持 1/2/4/8 bpp 颜色查找表（CLUT）和 16/24 位直接像素映射。
   • SD/MMC 卡接口：支持 Secure Digital 内存（SD 版本 3.0）、Secure Digital I/O（SDIO 版本 2.0）、Consumer Electronics Advanced Transport Architecture（CE - ATA 版本 1.1）和 MultiMedia 卡（MMC 版本 4.4）。
   • 通用 DMA 控制器：八通道通用 DMA 控制器可访问 AHB 上的所有内存和所有支持 DMA 的 AHB 从设备。
   • GPIO：多达 164 个通用输入/输出（GPIO）引脚，具备可配置的上拉/下拉电阻，GPIO 寄存器位于 AHB 上以实现快速访问，GPIO 端口支持 DMA。
3. 模拟外设
   • ADC：两个 10 位 ADC 支持 DMA，数据转换速率为 400 kSamples/s，每个 ADC 最多有八个输入通道。
   • DAC：一个 10 位 DAC 支持 DMA，数据转换速率为 400 kSamples/s。

（五）电源管理

• 单一电源供电：采用单一 3.3 V（2.2 V 至 3.6 V）电源供电，片上内部稳压器为核心电源和 RTC 电源域供电。
• RTC 独立供电：RTC 电源域可由 3 V 电池单独供电。
• 多种低功耗模式：支持睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电四种低功耗模式，可通过各种外设的唤醒中断从睡眠模式唤醒，通过外部中断和 RTC 电源域中电池供电模块产生的中断从深度睡眠、掉电和深度掉电模式唤醒。
• 欠压检测：具备四个独立阈值的欠压检测功能，用于中断和强制复位。

三、应用领域

LPC18S50/S30/S10 适用于多种应用场景，包括通信集线器、汽车售后市场、电源管理、消费健康设备、嵌入式音频应用、工业控制、工业自动化和白色家电等。

四、订购信息

该系列微控制器提供多种封装选项，如 LBGA256、TFBGA180、TFBGA100 和 LQFP144 等，不同型号在 SRAM 容量、LCD、以太网、USB 接口、ADC 通道、PWM、QEI 和 GPIO 等方面存在差异，工程师可根据具体需求进行选择。

五、功能描述

（一）架构概述

ARM Cortex - M3 包含三个 AHB - Lite 总线：系统总线、I - code 总线和 D - code 总线，LPC18S50/S30/S10 使用多层 AHB 矩阵将 ARM Cortex - M3 总线和其他总线主设备连接到外设，实现灵活的连接和同时访问。

（二）ARM Cortex - M3 处理器

ARM Cortex - M3 是一款通用的 32 位微处理器，具有高性能和低功耗的特点，采用流水线技术，支持 Thumb - 2 指令集、低中断延迟、硬件除法、硬件单周期乘法等功能。

（三）系统滴答定时器（SysTick）

可按 10 ms 间隔生成专用的 SYSTICK 异常，用于系统定时。

（四）AHB 多层矩阵

通过多层 AHB 矩阵实现总线主设备和从设备的连接，确保数据的高效传输。

（五）嵌套向量中断控制器（NVIC）

支持 53 个向量中断，具备八个可编程中断优先级级别和硬件优先级级别屏蔽功能，支持可重定位向量表、非屏蔽中断（NMI）和软件中断生成。

（六）事件路由器

将各种内部信号、中断和外部中断引脚（WAKEUP[3:0]）组合，在 NVIC 中创建中断，并生成唤醒信号，可由电池供电。

（七）全局输入多路复用器阵列（GIMA）

用于将内部和外部信号路由到事件驱动的外设目标，具备单源选择、信号反转、脉冲捕获、同步和单周期脉冲生成等功能。

（八）片上静态 RAM

支持高达 200 kB 的 SRAM，具备独立的总线主设备访问和独立的电源控制，支持在系统编程（ISP）模式。

（九）引导 ROM

64 kB 的内部 ROM 存储引导代码，支持从外部静态内存（如 NOR 闪存、SPI 闪存、Quad SPI 闪存、USB0 和 USB1）引导，包含 OTP 编程 API 和灵活的 USB 设备堆栈。

（十）内存映射

详细的内存映射为不同的外设和内存区域分配了特定的地址空间，方便工程师进行编程和调试。

（十一）一次性可编程（OTP）内存

提供 64 位通用 OTP 内存和 256 位用于存储两个 AES 密钥的 OTP 内存，其中一个为加密密钥。

（十二）通用输入/输出（GPIO）

提供八个 GPIO 端口，每个端口最多有 31 个 GPIO 引脚，具备加速 GPIO 功能、位级设置和清除寄存器、方向控制、中断请求等功能。

（十三）AHB 外设

1. AES 解密/加密：硬件 AES 引擎支持 AES 算法的加密和解密，具备多种特性，如随机数生成、唯一 ID、CMAC 哈希计算等。
2. 状态可配置定时器（SCTimer/PWM）子系统：可配置为两个 16 位计数器或一个统一的 32 位计数器，支持多种定时、计数、输出调制和输入捕获操作。
3. 通用 DMA：支持外设到内存、内存到外设、外设到外设和内存到内存的事务，具备八个 DMA 通道、16 个 DMA 请求线、硬件 DMA 通道优先级等功能。
4. SPI Flash 接口（SPIFI）：支持经典和 4 位双向串行协议，可与低功耗串行闪存连接，支持 DMA 访问。
5. SD/MMC 卡接口：支持多种 SD/MMC 模式。
6. 外部存储器控制器（EMC）：支持动态内存接口（如 SDRAM）和异步静态内存设备（如 RAM、ROM 和 NOR 闪存），具备低事务延迟、读写缓冲区等特性。
7. 高速 USB 主机/设备/OTG 接口（USB0）：具备片上 UTMI + 兼容的高速收发器（PHY），支持 USB 2.0 规范和 USB On - The - Go 补充协议。
8. 高速 USB 主机/设备接口（USB1）：可连接外部 ULPI PHY 实现高速操作，支持 USB 2.0 规范。
9. LCD 控制器：提供必要的控制信号，支持多种 LCD 面板，具备 DMA 控制器和硬件光标支持。
10. 以太网：支持 10/100 Mbit/s，具备 DMA 支持、电源管理远程唤醒帧和魔法包检测等功能，支持 IEEE 1588 时间戳。

（十四）数字串行外设

1. UART：具备标准的发送和接收数据线，支持全调制解调器控制握手接口和 RS - 485/9 位模式，支持 DMA。
2. USART：三个 USART 支持同步模式和智能卡模式，支持 DMA，其中 USART3 支持 IrDA 模式。
3. SSP 串行 I/O 控制器：支持 SPI、4 线 SSI 或 Microwire 总线，支持全双工传输，具备八个帧 FIFO。
4. I2C 总线接口：两个 I2C 总线接口支持多主机操作，具备可编程时钟、双向数据传输、仲裁和串行时钟同步等功能。
5. I2S 接口：两个 I2S 接口支持数字音频应用，具备独立的输入/输出通道，支持 8、16 和 32 位字大小，支持音频主时钟。
6. C_CAN：两个 C_CAN 控制器符合 CAN 协议版本 2.0B，支持高达 1 Mbit/s 的比特率，具备 32 个消息对象和可编程 FIFO 模式。

（十五）计数器/定时器和电机控制

1. 通用 32 位定时器/外部事件计数器：四个 32 位定时器/计数器具备可编程 32 位预分频器、两个 32 位捕获通道和四个 32 位匹配寄存器，支持多种操作模式和中断功能。
2. 电机控制 PWM：支持三相电机和其他组合，具备反馈输入和中止输入，可用于多种定时、计数、捕获和比较应用。
3. 正交编码器接口（QEI）：用于解码正交编码器的数字脉冲，跟踪编码器位置、方向和速度，具备可编程计数模式、速度捕获和比较功能。
4. 重复中断（RI）定时器：提供一个自由运行的 32 位计数器，可与可选值进行比较，生成中断。
5. 窗口看门狗定时器（WWDT）：用于在软件未能在可编程时间窗口内定期服务时复位控制器，具备可选的窗口操作和警告中断功能。

（十六）模拟外设

1. 模数转换器（ADC）：两个 10 位 ADC 具备输入多路复用、掉电模式、测量范围 0 至 VDDA、采样频率高达 400 kSamples/s 等特性，支持 DMA。
2. 数模转换器（DAC）：10 位分辨率，具备单调设计、可控转换速度和低功耗等特性。

（十七）RTC 电源域外设

1. RTC：用于测量时间，具备超低功耗设计，支持电池供电，可进行校准，支持周期性中断和闹钟中断。
2. 闹钟定时器：16 位定时器，可按 1 kHz 计数，生成闹钟中断。

（十八）系统控制

1. 配置寄存器（CREG）：控制 BOD 跳闸设置、振荡器输出、DMA 到外设复用、以太网模式、内存映射、定时器/USART 输入和 USB 控制器启用等设置。
2. 系统控制单元（SCU）：确定数字引脚的功能和电气模式，控制 ADC 功能选择。
3. 时钟生成单元（CGU）：生成多个基本时钟，多个分支时钟可独立控制，用于电源管理。
4. 内部 RC 振荡器（IRC）：作为 WWDT 和/或 PLLs 及 CPU 的时钟源，频率为 12 MHz，精度为 1.5%。
5. PLL0USB（用于 USB0）：为 USB0 高速控制器提供专用 PLL。
6. PLL0AUDIO（用于音频）：通用 PLL，支持小步长，输出频率可根据采样频率进行设置。
7. 系统 PLL1：输入时钟频率范围为 1 MHz 至 25 MHz，可将输入频率倍增至高频，输出时钟可通过输出分频器进行设置。
8. 复位生成单元（RGU）：可生成独立的复位信号用于各个模块和外设。
9. 电源控制：具备多个独立的电源域，支持四种低功耗模式，可通过 WAKEUP[3:0] 引脚和 RTC 电源域中电池供电模块产生的中断唤醒。

（十九）仿真和调试

集成了 ARM Cortex - M3 的调试和跟踪功能，支持串行线调试和跟踪，支持多达八个断点和四个观察点。

六、电气特性

（一）限制值

文档给出了调节器电源电压、输入/输出电源电压、模拟电源电压、电池供电电压等参数的限制值，确保芯片在安全的电压范围内工作。

（二）热特性

提供了平均芯片结温的计算公式，以及不同封装的热阻参数，帮助工程师进行散热设计。

（三）静态特性

详细列出了各种电源引脚的电压、电流参数，以及不同模式下的功耗情况，为电源设计提供参考。

（四）动态特性

包括唤醒时间、外部时钟、晶体振荡器、IRC 振荡器、RTC 振荡器、I/O 引脚、I2C 总线、I2S 总线接口、USART 接口、SSP 接口、外部存储器接口、USB 接口、以太网、SD/MMC、LCD 和 SPIFI 等的动态特性参数，为系统设计提供了准确的时序信息。

（五）ADC/DAC 电气特性

给出了 ADC 和 DAC 的各项电气特性参数，如模拟输入电压、输入电容、线性误差、偏移误差、增益误差等，确保模拟信号处理的准确性。

七、应用信息

（一）LCD 面板信号使用

提供了不同类型 LCD 面板（ST