STR91xFAxxx：高性能ARM966E - S微控制器的深度剖析

在当今的电子设计领域，微控制器扮演着至关重要的角色。今天，我们将深入探讨ST公司推出的STR91xFAxxx系列微控制器，它融合了强大的ARM966E - S内核和丰富的外设，为众多应用场景提供了理想的解决方案。

文件下载：STR910FAW32X6.pdf

一、产品概述

STR91xFA系列微控制器以16/32位ARM966E - S RISC处理器核心为基础，搭配双银行闪存、大容量SRAM以及丰富的外设，适用于销售点终端、工业自动化、安全监控、自动售货机、通信网关、串行协议转换和医疗设备等多种应用。其ARM966E - S核心支持单周期DSP指令，在语音处理、音频算法和低端成像等方面表现出色。

1.1 产品型号与配置

该系列有多种型号可供选择，不同型号在闪存容量、RAM大小、外设和封装形式上有所差异。例如，STR910FAM32配备256KB + 32KB闪存和64KB RAM，采用LQFP80封装；而STR912FAW46则拥有1024KB + 128KB闪存和96KB RAM，采用LQFP128封装。具体的型号配置可参考文档中的设备摘要表格。

二、功能特性

2.1 ARM966E - S CPU核心

• 哈佛架构：该核心采用哈佛架构，具有独立的指令和数据内存接口，允许CPU通过两个紧密耦合的内存（TCM）接口同时获取指令和读写数据，从而简化了CPU的加载和存储操作，减少了每条指令的周期数。
• 5级流水线：采用5级流水线设计，增加了操作并行性，充分发挥每个时钟周期的性能。
• DSP指令扩展：支持10种DSP增强指令扩展，包括单周期执行32x16乘法累加、饱和加法/减法和前导零计数等。
• 代码兼容性：与32位ARM7代码和16位Thumb代码二进制兼容。

2.2 突发闪存内存接口

• 高性能架构：突发闪存内存接口集成到ARM966E - S核心的指令TCM（I - TCM）路径中，同时还包含一个8指令预取队列（PFQ）和一个15项分支缓存（BC），使核心在直接从闪存内存执行代码时能够达到高达96 MIPS的性能。
• 预取队列（PFQ）：当CPU核心通过I - TCM访问顺序指令时，PFQ会提前预取指令，利用因可变长度指令产生的空闲总线周期，以高达96 MHz的速率从突发闪存内存中每次获取32位数据。
• 分支缓存（BC）：在指令地址不连续（如程序分支情况）时，PFQ需要刷新和重新加载，若没有BC，CPU会出现停顿。BC包含最近使用的最多15个分支地址以及每个分支相关的前8条指令，通过快速检查所有15个BC条目是否匹配分支地址（缓存命中），若命中则迅速提供指令，减少CPU停顿。此外，还有一个专门用于向量中断控制器（VIC）的第16个分支缓存条目，可进一步减少中断延迟。
• 文字管理：STR91xFA的ARM966E - S核心实现了特殊电路，当程序流中遇到文字（数据常量）时，可防止PFQ刷新，以保持最大性能。

2.3 SRAM

• 单周期数据访问：32位宽的SRAM位于CPU的数据TCM（D - TCM）接口上，提供单周期数据访问。D - TCM与高级高性能总线（AHB）共享SRAM访问，通过简单的仲裁逻辑控制，允许AHB上的DMA单元也能访问SRAM。
• 仲裁机制：当D - TCM或AHB只有一个请求SRAM时，可实现零等待状态访问。当两者同时请求时，采用交错方式授予访问权，确保双方都不会被饿死。当两者都不请求时，仲裁器将访问权授予最近的用户。
• 电池备份：当电池连接到指定的电池备份引脚（VBATT）时，主数字电源（VDD和VDDQ）的工作电压丢失或低于LVD阈值时，SRAM内容会自动保存。如果需要，固件可以禁用自动切换到SRAM，使电池仅为RTC供电，而不为SRAM供电。

2.4 DMA数据移动

• 独立数据路径：高级高性能总线（AHB）上的DMA通道充分利用哈佛架构提供的独立数据路径，快速移动数据，且在很大程度上独立于指令路径。
• DMA单元：有两个DMA单元，一个专门用于在以太网接口和SRAM之间移动数据，另一个DMA单元有8个可编程通道和14个请求信号，用于服务其他外设和接口（如USB、SSP、ADC、UART、定时器、EMI和外部请求引脚）。支持单字和突发DMA传输，除了内存 - 外设传输外，还支持内存 - 内存传输。
• 仲裁与管理：DMA对SRAM的访问与D - TCM访问共享，仲裁机制如前文所述。高效的DMA传输由固件使用链表描述符表进行管理，16个DMA请求信号中有两个分配给外部输入，DMA单元可以通过EMI总线在外部设备和STR91xFA内部资源之间移动数据。

2.5 非易失性存储器

• 双闪存设计：有两个独立的32位宽突发闪存存储器，支持真正的读 - 写操作。闪存存储器采用单电压擦除/编程，数据保留时间至少为20年，擦除周期至少为100K次。主闪存比次闪存大得多。
• 主闪存：可通过STR91xFA设备配置软件工具和第三方集成开发环境指定主闪存为CPU复位时的默认启动内存，也可指定次闪存为默认启动内存。主闪存具有等长的64KB字节扇区，不同设备类型的扇区数量不同。
• 次闪存：可用于实现引导加载程序，能够存储代码以对主闪存进行强大的应用内编程（IAP）。CPU可以从次闪存执行代码，同时更新主闪存中的代码。新代码可以通过STR91xFA上的任何接口（如USB、以太网、CAN、UART等）下载。此外，次闪存还可以通过固件模拟EEPROM来存储小数据集，提高数据安全级别。
• 编程方式：两个闪存存储器都可以使用JTAG系统内编程（ISP）通道独立于CPU进行代码和/或数据编程，这对于迭代代码开发和制造非常有用。

2.6 一次性可编程（OTP）内存

• 用途：有32字节的OTP内存，非常适合存储序列号、安全密钥、工厂校准常数或其他永久数据常量。
• 编程与锁定：这些OTP数据字节只能通过JTAG接口或CPU进行一次编程，之后无法更改。可以通过JTAG接口或CPU设置“锁定位”，阻止对该OTP区域的进一步写入，“锁定位”本身也是一次性可编程的。

2.7 向量中断控制器（VIC）

• 中断管理：STR91xFA的中断管理通过级联两个标准ARM VIC单元实现，这个组合VIC有32个优先级中断请求通道，并向CPU生成两个中断输出信号：FIQ和IRQ，其中FIQ优先级更高。
• FIQ处理：FIQ是唯一的非向量中断，CPU可以直接执行中断服务程序（ISR），无需确定/优先级中断源，从而最小化ISR延迟。通常只有一个中断源被分配给FIQ，FIQ中断有自己的一组银行寄存器，以最小化上下文切换时间。任何32个中断请求输入信号都可以分配给FIQ。
• IRQ处理：IRQ是向量中断，是进入32个IRQ通道的所有32个中断请求信号的逻辑或。单个向量中断请求的优先级由硬件确定（IRQ通道Intr 0优先级最高，IRQ通道Intr 31优先级最低）。在同一VIC（主VIC或次VIC）内，CPU固件可以重新分配单个中断源到单个硬件IRQ通道，从而有效改变中断优先级。VIC0（主VIC）中断的优先级总是高于VIC1（次VIC）中断。当IRQ信号被中断请求激活时，VIC硬件将解析IRQ中断优先级，然后ISR读取VIC以确定中断源和向量地址，跳转到服务代码。STR91xFA通过在指令分支缓存中添加第16个条目（专门用于中断），将从VIC读取中断向量地址所需的内存访问次数从两次减少到一次，从而减少IRQ中断的ISR响应时间。
• 中断源：进入VIC的32个中断请求信号来自各种源，其中5个来自唤醒单元，其余27个来自STR91xFA的内部源，如片上外设。唤醒单元生成的5个中断请求之一（表6中的IRQ25）是唤醒单元所有32个输入的逻辑或，这些输入可用于唤醒CPU并引发中断。其余4个中断请求（表6中的IRQ26）由8个中断源分组产生，允许单个引脚直接分配给向量IRQ中断或非向量FIQ中断。

三、时钟、复位和电源管理

3.1 时钟管理

• 内部振荡器：内部振荡器与外部4 - 25 MHz晶体配合工作。
• 内部PLL：内部PLL可将时钟频率提升至96 MHz。
• 实时时钟（RTC）：提供日历功能、篡改检测和唤醒功能。

3.2 复位管理

• 复位监控器：监控电源电压、看门狗、唤醒单元和外部复位。
• 欠压监控：检测电源电压下降情况。

3.3 电源管理

• 运行模式：正常工作模式。
• 空闲模式：降低功耗，CPU停止执行指令，但保持外设运行。
• 睡眠模式：功耗最低，可低至50 μA，唤醒后可快速恢复工作。

四、通信接口

4.1 以太网MAC接口

• 支持10/100以太网MAC：带有DMA和MII接口，可实现高速以太网通信。

4.2 USB接口

• USB全速（12 Mbps）从设备：支持DMA传输，可实现与外部设备的高速数据交换。

4.3 CAN接口

• CAN 2.0B活动接口：可用于工业控制等领域的通信。

4.4 UART接口

• 3个16550风格的UART：支持IrDA协议，可用于串行通信。

4.5 I2C接口

• 2个快速I2C接口：速率可达400 kHz，用于与其他I2C设备通信。

4.6 SPI/SSI/MICROWIRE接口

• 2个通道：可用于与外部设备进行串行通信。

五、其他特性

5.1 外部存储器接口（EMI）

• 支持8位或16位数据，最多24位寻址：可连接外部存储器，扩展系统的存储容量。

5.2 标准定时器（TIM）

• 4个16位定时器：每个定时器具有2个输入捕获、2个输出比较、PWM和脉冲计数模式，可用于定时、计数和PWM控制等应用。

5.3 三相感应电机控制器（IMC）

• 用于控制三相感应电机：可实现电机的高效控制。

5.4 JTAG接口

• 支持边界扫描：方便进行芯片的测试和调试。

5.5 嵌入式跟踪模块（ARM ETM9）

• 可用于芯片的调试和性能分析：帮助工程师快速定位问题。

六、总结

STR91xFAxxx系列微控制器凭借其强大的ARM966E - S核心、丰富的外设和灵活的配置选项，为电子工程师提供了一个高性能、低功耗的解决方案。无论是在工业自动化、通信、医疗设备还是其他领域，都能发挥出其独特的优势。在实际设计中，工程师可以根据具体的应用需求选择合适的型号和配置，充分利用其各种特性，实现高效、稳定的系统设计。

你在使用这款微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。