Stellaris – семейство микроконтроллеров на ядре Cortex-M3

Микроконтроллеры Stellaris компании Texas Instruments вошли в историю как первые микроконтроллеры с интегрированным 32-битным процессором ARM Cortex-M3 и, несмотря на появление многих конкурирующих решений, остаются лидерами по ряду особенностей, о которых и пойдет речь в данной статье.

Линейка микроконтроллеров (МК) Stellaris изначально была создана компанией Luminary Micro, которая, несмотря на свое сравнительно непродолжительное пятилетнее существование в качестве самостоятельной компании, оставила заметный след в мировой электронике, став первым производителем общедоступных микроконтроллеров с интегрированным процессором ARM Cortex-M3. В этом, 2009, году Luminary Micro была поглощена гигантом полупроводниковой индустрии - компанией Texas Instruments, которая таким образом смогла в одночасье дополнить цепочку выпускаемых семейств микроконтроллеров недостающим и очень перспективным звеном. В конечном счете, компания Texas Instruments получила возможность предложить рынку самый обширный ассортимент микроконтроллеров Cortex-M3, который насчитывает 138 позиций и охватывает все наиболее массовые области применения МК. Среди областей применения - бытовая техника, автоматизированный электропривод, системы мониторинга, HVAC-системы, автоматизация зданий, преобразовательная техника, преобразователи интерфейсов, торговые терминалы, контрольно-измерительное оборудование, медицинская техника, игровые устройства и многое другое.

Несмотря на то, что процессор Cortex-M3 формально входит в семейство ARM Cortex и является одним из профилей архитектуры ARMv7 [1], с прикладной точки зрения его более правильно рассматривать как наследника процессора ARM7TDMI, который нашел широкое применение в качестве основы для построения многих других 32-битных МК. Для достижения преимущества Cortex-M3 по сравнению с ARM7TDMI проделано следующее:

• устранены все известные узкие места, присущие процессору ARM7TDMI, в том числе
  • применен новый набор инструкций Thumb-2, который обеспечивает большую плотность кода, чем 16-битный набор инструкций Thumb процессора ARM7TDMI;
  • улучшена эффективность исполнения инструкций (предсказание переходов, однотактное умножение, деление на аппаратном уровне), что позволило повысить производительность процессора до 1,25 DMIPS/МГц (против 0,95 DMIPS/МГц процессора ARM7TDMI в режиме ARM);
  • до 12 циклов (против 24...42 циклов процессора ARM7TDMI) снижена задержка реагирования на прерывания за счет выполнения операций над стеком на аппаратном уровне;
  • до 0,19 мВт/МГц (против 0,28 мВт/МГц процессора ARM7TDMI) снижено удельное электропотребление;
  • улучшена эффективность размещения данных в памяти и выполнения операций битовой обработки;
• повышена степень интеграции и стандартизации системных ресурсов:
  • интегрированы элементы, использующиеся операционными системами реального времени (ОСРВ), в том числе системный таймер и блок защиты памяти;
  • реализована поддержка экономичных режимов работы;
  • применено стандартизованное распределение адресного пространства памяти;
• реализована более простая модель программирования, избавляющая от необходимости написания какого-либо ассемблерного кода, глубокого изучения процессора и его набора регистров. Кроме того, предусмотрена стандартизация программирования всех МК Cortex-M3 (стандарт CMSIS, см. www.onarm.com). Если придерживаться данного стандарта, можно добиться простоты портирования проектов между МК разных производителей.

Кроме того, архитектура процессора Cortex-M3 оптимизирована по стоимости, благодаря чему созданные на его основе МК способны конкурировать по цене с 16-битными и даже некоторыми 8-битными МК.

Наследовав перечисленные преимущества процессора Cortex-M3, МК Stellaris были дополнены оригинальной рецептурой встроенных модулей ввода-вывода во множестве типоисполнений, благодаря чему они приобрели ряд уникальных и порой беспрецедентных среди всех выпускаемых МК Cortex-M3 черт. К числу таковых относятся:

• доступность 28-выводных МК, способных конкурировать с 8- и 16-битными контроллерами;
• интеграция во многие МК модуля Ethernet, причем не только со встроенным MAC-контроллером, но и со встроенным трансивером;
• интеграция в некоторые МК ПЗУ со встроенной прошивкой программной библиотеки StellarisWare, которая содержит драйверы встроенных модулей ввода-вывода, функции для программирования Flash-памяти, криптографические таблицы по стандарту AES, а также функции обнаружения ошибок CRC.

К числу других важных преимуществ МК Stellaris также можно отнести наличие исполнения с расширенным до 105°С температурным диапазоном; доступность бесплатной библиотеки с реализованными тестами по классу Б стандарта IEC 60730 (в РФ действует его аутентичная версия ГОСТ Р МЭК 60730-1-2002), которая существенно облегчает получение сертификата на соответствие уровня безопасности и надежности бытовой техники классу Б; наличие МК, модуль Ethernet которых поддерживает стандарт IEEE1588, позволяющий на наносекундном уровне синхронизировать удаленные контроллеры.

МК Stellaris организованы в виде серий и подсерий. Сведения по ним представлены в таблице 1.

Таблица 1. Обзор серий и подсерий МК Stellaris

Примечание: * МК, доступные в корпусе LQFP100, также доступны в корпусе BGA108. * МК, доступные в корпусе LQFP100, также доступны в корпусе BGA108.

В колонке «Описание» даны лишь главные классификационные признаки серий. Общие отличия подсерий можно оценить по приведенным характеристикам максимального быстродействия ЦПУ (FCPU), объема встроенной памяти, а также типам корпусов и предельным возможностям дискретного ввода-вывода. Помимо этого, внутри подсерий МК отличаются по степени интеграции аналоговых и цифровых модулей ввода-вывода. Пользователь может рассчитывать на доступность следующих модулей ввода-вывода:

• 32-битные таймеры (до четырех каналов) с каналами захвата/сравнения (до восьми каналов);
• ШИМ-контроллер, в том числе для задач управления движением (до восьми каналов);
• интерфейс квадратурного энкодера, облегчающего введение обратных связей по положению, направлению, скорости (до двух каналов);
• 10-битный АЦП (до 16 мультиплексированных каналов, частота дискретизации 0,25, 0,5 или 1МГц);
• последовательные интерфейсы UART, I²C, SSI (SPI) и I²S;
• аналоговые компараторы (до трех каналов);
• датчик температуры.

Кроме того, МК Stellaris оснащены всеми необходимыми системными ресурсами, облегчающими их применение. В их число входят блок управления синхронизацией и сбросом (позволяет оптимизировать энергопотребление и исключить внешние компоненты для управления сбросом), стабилизатор напряжения LDO-типа (дает возможность питать МК одним напряжением 3,3 ±0,3 В), опциональный блок прямого доступа к памяти (DMA; минимизирует участие ЦПУ в процессах передачи данных между модулями ввода-вывода и памятью) и встроенный в новые МК RC-генератор с улучшенной до 1% точностью (исключает внешние компоненты для синхронизации МК). Рассмотренные особенности структуры МК Stellaris обобщены на рисунке 1.

Рис. 1. Обобщенная структура микроконтроллеров Stellaris

Еще одно немаловажное преимущество рассматриваемых МК - высокий уровень предлагаемой технической поддержки. Пользователю доступно множество программных и аппаратных инструментов, направленных на ускорение проектирования как устройств общего назначения, так и ориентированных на конкретные области применения. Например, использование бесплатного микропрограммного обеспечения (МПО) StellarisWare существенно упрощает программирование МК. Данное МПО состоит из нескольких библиотек и примеров их использования. Использование этих библиотек избавит пользователя от необходимости написания драйверов модулей ввода-вывода, упростит работу с интерфейсом USB, ускорит создание графических интерфейсов, добавит поддержку внутрисистемного программирования, а также обеспечит совместимость со стандартом IEC 60730. МПО совместимо со средами для проектирования компаний Keil (MDK-ARM), IAR (Embedded Workbench), Code Red Technologies (RedSuite), Code Sourcery (SourceryG++), а также GNU-инструментами для проектирования. Выпускаемые аппаратные средства поддержки проектирования разделяются на четыре группы: оценочные наборы, наборы для проектирования, наборы завершенных устройств и модули. Их обзор представлен в таблице 2.

Таблица 2. Обзор инструментальных средств для проектирования

Заключение

Семейство Stellaris составляет множество микроконтроллеров, выполненных на основе процессора ARM Cortex-M3 с передовыми для своего класса характеристиками. Семейство разделено на серии и подсерии, в которые входят МК различного класса и отличающиеся по степени интеграции.

Используемые в МК встроенные модули ввода-вывода делают возможным их применение в разнообразных по уровню сложности приложениях: от простых, которые обычно выполнялись на основе продвинутых 8-битных МК, до высококачественных встраиваемых систем с широкими коммуникационными возможностями (Ethernet, CAN, USB) и интеллектуальным пользовательским интерфейсом.

Все МК Stellaris, оснащенные интерфейсом Ethernet, интегрируют не только MAC-контроллер, но и трансивер. Данное предложение является беспрецедентным для всей группы МК Cortex-M3 (кроме Texas Instruments МК Cortex-M3 выпускает еще пять производителей) и достаточно редким среди всех других выпускаемых МК.

МК поддерживаются обширным набором аппаратных и программных инструментов, способствующих ускорению освоения как конкретной модели МК, так и определенного применения. В число таких применений входят управление электродвигателями, интеллектуальные графические интерфейсы и преобразователи UART-Ethernet.

Литература

1. Староверов К.С. Микроконтроллеры на основе ядра ARM Cortex M3//Новости электроники, №1, 2008. - С. 9-15.

Константин Староверов

Источник: журнал "Новости электроники"