1、第2章 Kinetis微控制器概述與K60硬件最小系統(tǒng),2012.01,主要知識點,學(xué)習(xí)一個新MCU芯片的基本要素,2.1,ARM背景知識簡介,2.2,Kinetis系列微控制器概述及型號標識,2.3,K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),2.4,K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),2.5,2.6,ARM Cortex-M4的寄存器及指令簡介,2.1 學(xué)習(xí)一個新MCU芯片的基本要素,一般來說學(xué)習(xí)一個新的MCU芯片的過程： 了解性能及內(nèi)部主要功能模塊與存儲空間的地址分配 了解基本的編程結(jié)構(gòu)、編程模式及尋址方式 了解中斷結(jié)構(gòu) 了解芯片的引腳的總體布局情況、硬件最小系統(tǒng)電路 理解第一個工程的結(jié)構(gòu)、工

2、程中各個文件的基本功能 編譯、鏈接，理解列表文件、機器碼文件 借助硬件評估環(huán)境，重復(fù)練習(xí) 充分理解第一個工程的執(zhí)行過程 決定是否采用嵌入式（實時）操作系統(tǒng),2.2 ARM背景知識簡介,2.2.1 ARM簡介 1ARM發(fā)展史 ARM公司于1990年11月成立于英國，原名為Advanced RISC Machine有限公司，是蘋果電腦、Acorn電腦集團和VLSI Technology的合資企業(yè)。 ARM成功地研制了首個低成本RISC架構(gòu) 1991年ARM公司推出了首個嵌入式RISC核心ARM6TM系列處理器 現(xiàn)在，ARM芯片的出貨量每年的增量均在20億片以上。與其他不像大多數(shù)的半導(dǎo)體公司不同，A

3、RM公司從不制造和銷售具體的處理器芯片，而是把處理器的設(shè)計授權(quán)給相關(guān)的商務(wù)合作伙伴，讓他們根據(jù)自己的強項設(shè)計具體的芯片。,2.2 ARM背景知識簡介,2.2.2 ARM架構(gòu)的演進 1985年,開發(fā)出ARM1 Sample版 1986年， ARM2量產(chǎn)-具有32位的數(shù)據(jù)總線、26位的尋址空間，并提供64MB的尋址范圍和16個32位的寄存器 1991年，ARM技術(shù)首次發(fā)布，然后蘋果電腦使用ARM6架構(gòu)的ARM610當作其Apple Newton PDA的核心。 1994年，Acorn使用ARM610作為其RISC PC電腦內(nèi)的CPU。,2.2 ARM背景知識簡介,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM公司不斷

4、推陳出新，研發(fā)出較高性能的ARMv7架構(gòu)。ARMv7架構(gòu)采用Thumb-2技術(shù)。在該版本中，內(nèi)核架構(gòu)首次從單一序列變成三種序列。 系列A（ARMv7-A）：設(shè)計用于高性能的“開發(fā)應(yīng)用平臺”越來越接近電腦。 系列R（ARMv7-R）：用于高端的嵌入式系統(tǒng)，尤其是那些帶有實時要求的既要快又要實時。 系列M（ARMv7-M）：用于深度嵌入的、單片機風(fēng)格的系統(tǒng)中本書的主角。,2.2 ARM背景知識簡介,2.2.3 ARM處理器命名方法的演變 以前，ARM使用一種基于數(shù)字的命名法。在二十世紀九十年代，還曾在數(shù)字后面添加字母后綴，用來進一步明細該處理器的特性。 到了ARMv7架構(gòu)時代，ARM改革了這一冗長

5、的、需要“解碼”的數(shù)字命名法，轉(zhuǎn)而啟用了另一種看起來比較整齊的命名法。比如，ARMv7架構(gòu)的A、R、M三個系列都以Cortex作為主名，分別命名為ARM Cortex-A、ARM Cortex-R、ARM Cortex-M。,2.2 ARM背景知識簡介,2.2.4 ARM的專有技術(shù) 1）Thumb、Thumb-2 及ThumbEE Thumb是ARM處理器的一種16位指令模式。 Thumb-2是16位Thumb指令集的擴充，以額外的32位指令讓Thumb指令集指令集的使用更加廣泛。 ThumbEE也就是所謂的Thumb-2EE，在基礎(chǔ)上Thumb-2進行一些擴充，使得指令集能特別適用于執(zhí)行階段

6、（Runtime）的代碼生成（例如即時編譯）,2.2 ARM背景知識簡介,2）Jazelle Jazelle是與ARM體系結(jié)構(gòu)的一種相關(guān)技術(shù)，用于在處理器指令層次對Java加速。 3）高級SIMD（NEON） 高級單指令多重數(shù)據(jù)SIMD（Single Instruction Multiple Data）延伸集，業(yè)界稱為NEON技術(shù)，它是一個結(jié)合64位和128位的SIMD指令集，其針對多媒體和信號處理程序具備標準化加速的能力。,2.2 ARM背景知識簡介,4）VFP VFP（Vector Floating-point，向量浮點）是在協(xié)處理器中針對ARM架構(gòu)的衍生技術(shù)。它提供低成本的單精度和雙精度

7、浮點運算能力，并完全相容于ANSI/IEEE Std 754-1985二進制浮點運算標準。 5）安全性擴充（TrustZone） TrustZoneTM技術(shù)出現(xiàn)在ARMv6KZ以及后續(xù)的應(yīng)用核心架構(gòu)中。它提供了一種低成本的方案，針對片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）內(nèi)加入專屬的安全核心，由硬件建構(gòu)的存取控制方式支持兩個虛擬的處理器。,2.2 ARM背景知識簡介,2.2.5 Cortex-M4 處理器特性簡介 ARM Cortex-M4 處理器是由 ARM 專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，在M3的基礎(chǔ)上強化了運算能力，新加了浮點、DSP、并行計算等，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號

8、處理功能混合的數(shù)字信號控制市場。 其高效的信號處理功能與 Cortex-M 處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合，旨在滿足專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動化市場的新興類別的靈活解決方案。,2.2 ARM背景知識簡介,1高能效數(shù)字信號控制 RISC 處理器內(nèi)核：高性能 32 位 CPU、具有確定性的運算、低延遲 3 階段管道，可達1.25DMIPS/MHz Thumb-2指令集：16/32 位指令的最佳混合、小于 8 位設(shè)備 3 倍的代碼大小、對性能沒有負面影響。提供最佳的代碼密度 低功耗模式：集成的睡眠狀態(tài)支持、多電源域、基于架構(gòu)的軟件控制 嵌套矢量中斷控制

9、器 (NVIC)：低延遲、低抖動中斷響應(yīng)、不需要匯編編程、以純 C 語言編寫的中斷服務(wù)例程。能完成出色的中斷處理 工具和 RTOS 支持：廣泛的第三方工具支持、Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS)、最大限度地增加軟件成果重用 CoreSight 調(diào)試和跟蹤：JTAG 或 2 針串行線調(diào)試 (SWD) 連接、支持多處理器、支持實時跟蹤,2.2 ARM背景知識簡介,2易于使用的技術(shù) Cortex-M4 通過一系列出色的軟件工具和Cortex 微控制器軟件接口標準 (CMSIS) 使信號處理算法開發(fā)變得十分容易。CMSIS是 Cortex-M 處理器系列的與供應(yīng)商無關(guān)的硬件抽象層。使用

10、 CMSIS，可以為接口外設(shè)、實時操作系統(tǒng)和中間件實現(xiàn)一致且簡單的處理器軟件接口，從而簡化軟件的重用。 ARM目前正在對CMSIS進行擴展，將加入支持Cortex-M4擴展指令集的C編譯器；同時，ARM也在開發(fā)一個優(yōu)化庫，方便MCU用戶開發(fā)信號處理程序。,2.3 Kinetis系列微控制器概述及型號標識,2.3.1 Kinetis系列微控制器概述 Kinetis系列微控制器是飛思卡爾公司于2010年下半年推出的，是業(yè)內(nèi)首款基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器。 目前，Kinetis系列的微控制器有K10、K20、K30、K40、K50、K60和K70等幾個子系列。其中K50子系列是專用

11、于醫(yī)療器械方面的專用系列，具有獨特的應(yīng)用特性。,2.3 Kinetis系列微控制器概述及型號標識,Kinetis系列微控制器的第一階段產(chǎn)品,2.3 Kinetis系列微控制器概述及型號標識,Kinetis系列微控制器特性,Kinetis系列芯片命名格式為： Q K# A M FFF R T PP CC N Kinetis系列芯片命令字段說明,2.3 Kinetis系列微控制器概述及型號標識,2.4 K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),2.4.1 K60系列MCU性能概述與內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖 K60系列微控制器具有IEEE 1588以太網(wǎng)，全速和高速USB 2.0 On-The-Go帶設(shè)備充電探

12、測，硬件加密和防竄改探測能力，具有豐富的模擬、通信、定時和控制外設(shè)，從100 LQFP封裝256 KB閃存開始可擴展到256 MAPBGA 1MB閃存。大閃存的K60系列微控制器還提供可選的單精度浮點單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。,2.4 K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),K60系列的模塊結(jié)構(gòu)框圖,2.4 K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),K60可選擇的芯片類型,2.4 K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),2.4.2 K60系列存儲器映像 ARM Cortex-M4為32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。,K60系列

13、的存儲器空間地址映像（一）,K60系列的存儲器空間地址映像（二）,2.4 K60系列微控制器的存儲器映像與編程結(jié)構(gòu),1中斷向量表、程序代碼及常量的存放地址 中斷向量表、程序代碼及常量的存放于Flash中。K60的中斷向量表、程序代碼及常量的存放區(qū)域是：0 x0000_00000 x0FFF_FFFF。K60的程序代碼編譯鏈接后，中斷向量表將從0 x0000_0000地址開始存放，程序代碼從0 x0000_0410地址開始存放。存放完代碼空間后，常量隨其后。 2全局變量、局部變量的存放地址 全局變量及局部變量存放于RAM中。從表2-5中可以看出K60系列微控制器的RAM地址空間分為兩個部分，第一

14、部分被稱為SRAM_L，地址范圍是：0 x1800_00000 x1FFF_FFFF，共128MB；第二部分被稱為SRAM_U，地址范圍是：0 x2000_00000 x200F_FFFF，共1MB。MK60N512VMD100芯片的實際RAM存儲器大小是128KB，其地址范圍是0 x1FFF_00000 x2000_FFFF。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),2.5.1 K60的引腳功能 1）硬件最小系統(tǒng)引腳 硬件最小系統(tǒng)引腳包括電源類引腳、復(fù)位引腳、晶振引腳等。 K60芯片電源類引腳，BGA封裝22個，LQFP封裝27個，其中MAPBGA封裝的芯片有五個引腳未使用（A10、B10、

15、C10、M5和L5）。芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、I/O引腳驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核和振蕩器等供電。為了提供穩(wěn)定的電源，MCU內(nèi)部包含多組電源電路，同時給出多處電源引出腳，便于外接濾波電容。為了電源平衡，MCU提供了內(nèi)部相連的地的多處引出腳，供電路設(shè)計使用。 復(fù)位引腳 是一個專用引腳，內(nèi)部含有上拉電阻?？臻e狀態(tài)為高電平，低電平迫使芯片復(fù)位。在寫入器電路中，該引腳被連接到標準的10芯JTAG接口，以便寫入器可以使MCU復(fù)位。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),K60硬件最小系統(tǒng)引腳表,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),2）I/O端口資源類引腳

16、 除去需要服務(wù)的引腳外，其他引腳可以為實際系統(tǒng)提供I/O服務(wù)。芯片提供服務(wù)的引腳也可稱為I/O端口資源類引腳。K60（144引腳MAPBGA和LQFP封裝）具有多達100個I/O引腳。其中A口26個，B口20個，C口20個，D口16個，E口18個，每個引腳均具有多個功能。 這些引腳在復(fù)位后，立即被配置為高阻狀態(tài)，且為通用輸入引腳，沒有內(nèi)部上拉電阻。需要注意的是，為了避免來自浮空輸入引腳額外的漏電流，應(yīng)用程序中的復(fù)位初始化例程需盡快使能上拉或下拉，也可改變不常用引腳的方向為輸出，以使該引腳不再浮空。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),K60 I/O端口資源類引腳表,2.5 K60的引腳功能

17、與硬件最小系統(tǒng),ADC、DAC和USB引腳,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),MCU的硬件最小系統(tǒng)是指可以使內(nèi)部程序運行所必須的最低規(guī)模的外圍電路，也可以包括寫入器接口電路。 一般情況下，MCU的硬件最小系統(tǒng)由電源、晶振及復(fù)位等電路組成。 芯片要能工作，必須有電源與工作時鐘 復(fù)位電路則提供不掉電情況下MCU重新啟動的手段,2.5.2 K60的硬件最小系統(tǒng)原理圖,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),1）電源及其濾波電路 所有的電源引腳必須外接適當?shù)臑V波電容抑制高頻噪音 電源濾波電路，用于改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動對系統(tǒng)的影響，增強電路工作的穩(wěn)定性,2.5 K60的引腳功能與硬件

18、最小系統(tǒng),2）復(fù)位電路 電路原理如下：正常工作時復(fù)位輸入引腳通過一個10K的電阻接到電源正極，所以應(yīng)為高電平。若按下復(fù)位按鈕,則腳接地為低電平，導(dǎo)致芯片復(fù)位。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),3）晶振電路 注意：在硬件布線時需要注意晶振附近不要走高頻信號；晶振應(yīng)該盡量靠近芯片的晶振輸入引腳。,（a）芯片的主晶振使用有源晶振,（b）RTC模塊使用無源晶振,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),4）JTAG電路 Kinetis系列芯片使用的是ARM Cortex-M4內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)部集成了JTAG（聯(lián)合測試行為組織，Joint Test Action Group）接口，通過JTAG接口可

19、以實現(xiàn)程序下載和調(diào)試功能。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),2.5.3 Kinetis器寫入器與K60核心板 1）Kinetis微控制器寫入器,（a）寫入器電路板,（b）寫入器實物圖,開發(fā)人員可以通過10芯標準JTAG接口對K60目標板中的Flash進行擦除、寫入等操作。通過寫入器將機器碼下載到Flash后，可以執(zhí)行程序并調(diào)試。使用該寫入器時，一端連接PC的USB接口，一端連接目標板的JTAG接口。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),2）K60硬件核心板,該核心板上搭載的K60芯片使用144引腳的MAPBGA封裝，電源可通過USB mini口、JTAG接口或擴展板引入。,2.5 K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng),最小系統(tǒng)的測試步驟如下： 在確保電源和地未短路的情況下接通電源，測量電壓是否正常，檢查按下復(fù)位按鈕是否能夠復(fù)位（觀察復(fù)位指示燈） 將寫入器與電路板連接，啟動開發(fā)環(huán)境對目標MCU進行擦除，如果成功則說明最小系統(tǒng)工作正常 將第一個樣例程序下載到Flash中，觀察小燈閃爍情況 若自己學(xué)習(xí)之