Современные продукты компании Microchip. Особенности 16-разрядных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контроллеров

В статье рассмотрены особенности и приведены характеристики современных 16-разрядных цифровых сигнальных контроллеров семейства dsPIC33CH128МР508 и микроконтроллеров семейства PIC24Fxxx, производимых компанией Microchip.

16-разрядные микроконтроллеры и цифровые сигнальные контроллеры (DSC) находят применение в оборудовании и изделиях самого различного назначения. Компания Microchip выделяет ряд целевых областей применения своих продуктов данной категории: высокопроизводительные надёжные встраиваемые устройства, встраиваемые устройства с малым энергопотреблением, системы управления двигателями, цифровые системы управления питанием, системы функциональной безопасности. Важной особенностью 16-разрядных микроконтроллеров компании является их технологическая совместимость с 8-разрядными PIC-микроконтроллерами, что позволяет достаточно просто модернизировать ранее разработанные устройства и приборы, выполненные на их основе с целью улучшения качественных характеристик аппаратуры. В каталоге Microchip 2022 года представлена большая номенклатура 16-разрядных устройств в следующих группах:

• цифровые сигнальные контроллеры dsPIC33C DSC,
• цифровые сигнальные контроллеры dsPIC33EV 5V DSC,
• микроконтроллеры PIC24F MCU.

Приборы dsPIC33C выпускаются в двухъядерном (dsPIC33CH) и одно­ядерном (dsPIC33CK) вариантах, в обоих вариантах представлено по несколько семейств микросхем с различным объёмом флеш-памяти (64К, 128К, 256К, 512К, 1024К). Рассмотрим особенности двухъядерных сигнальных контроллеров семейства dsPIC33CH128MP508. Микросхемы этого семейства позиционируются как 16-разрядные двухъядерные цифровые сигнальные контроллеры с ШИМ и CAN FD интерфейсами высокого разрешения, выполненные в 28/36/48/64/80-выводных корпусах. Микросхемы семейства характеризуются широким набором функциональных возможностей, высоким быстродействием и малым энергопотреблением. Условия эксплуатации микросхем при напряжении питания 3…3,6 В определяются диапазоном рабочих температур и достижимым быстродействием процессорных ядер. В диапазоне рабочих температур от –40 до +125°С достижимое быстродействие ведущего ядра может достигать 100 MIPS, в диапазоне температур от –40 до +150°С быстродействие не превышает 60 MIPS. Микросхемы обеспечивают управление режимами малого энергопотребления (спящий, бездействия, «дремлющий»/Sleep, Idle, Doze), сброса при включении и выключении питания. Далее рассмотрим основные особенности процессорного ядра микросхем семейства:

• работа в ведущем и ведомом режимах (Master/Slave) с независимой периферией для обоих режимов,
• объём встроенной программируемой флеш-памяти 64…128 КБ, ОЗУ – 16 КБ (Master core), 24 КБ память программ и 4 КБ памяти данных (Slave Core),
• окна связи между ведущим и ведомым ядрами (MSI),
• архитектура с эффективным кодом (C и Assembler), 40-битные аккумуляторы, поддержка 32-битного умножения,
• пять наборов регистров и аккумуляторов для быстрого реагирования на прерывания.

Блоки синхронизации микросхем содержат внутренние тактовые генераторы с программируемой ФАПЧ и выходами тактовых импульсов Master Clock и Slave Clock, резервный генератор (Back-Up Internal Oscillator), схемы быстрого включения (Fast Wake-up/Start-up), LC-генератор с малым энергопотреблением (LPRC-Oscillator). Микросхемы семейства обеспечивают работу с ШИМ-интерфейсами высокого разрешения с точным положением фронтов импульсов. Блок устройств с ШИМ содержит 8 каналов (4/8 Master/Slave) с разрешением 250 пс. В блок ШИМ также входят: DC/DC- и AC/DC-преобразователи, источник бесперебойного питания (UPS), драйверы двигателей различного типа (BLDC, PMSM, SR, ACIM). В таймерную секцию микросхем входят два 16-разрядных таймера общего применения, 12 модулей SCPP с режимами таймера, захвата, сравнения и ШИМ (SCCP – Signaling Capture Compare PWM) и модуль периферийного генератора триггеров PTG для обеспечения координации работы периферийных устройств. Микросхемы семейства обеспечивают выполнение ряда аналоговых и аналого-цифровых функций, обеспечиваемых следующими устройствами:

• четыре модуля 12-разрядных АЦП (один для ведущего ядра, три – для ведомого), обеспечивающие до 18 каналов преобразования со скоростью 3,5 Мбит/с,
• четыре модуля 12-разрядных ЦАП с аппаратной компенсацией наклона (один модуль для ведущего ядра, три модуля – для ведомого),
• три модуля усилителей с программируемым усилением (PGA) для ведомого ядра с возможностью взаимодействия с АЦП ведущего ядра,
• общий выход для ЦАП и аналоговых компараторов, выход PGA.

Для обеспечения связи с внешними устройствами в микросхемах семейства предусмотрены следующие интерфейсы: три модуля UART с поддержкой протоколов DMX и LIN/J2602, три 4-проводных модуля SPI/I2S, модуль CAN с гибкой скоростью передачи данных (FD), три модуля I2C с поддержкой шины SMBus. Микросхемы семейства обеспечивают и целый ряд других функций и возможностей:

• прямой доступ к памяти (DMA) – шесть каналов для ведущего ядра и два канала для ведомого ядра,
• поддержка разработки отладки (Debugger Development Support),
• функции безопасности (сторожевой таймер, код исправления ошибок, двухскоростной пуск и др.),

Также ряд микросхем семейства оснащён шинами SENT (Single-Edge Nibble Transmission), используемой для передачи сигналов датчиков в системах управления различного назначения, в том числе автомобильных. В состав семейства входит две группы по 10 микросхем в каждой – dsPIC33CHxxxMP50x и dsPIC33CHxxx20x (без интерфейса CAN). Конкретные микросхемы отличаются типами корпусов, объёмов памяти, количеством различных устройств и каналов, основные характеристики микросхем группы ххх50х приведены на рис. 1, группы ххх20х – на рис. 2. На рис. 3 (а, б, в, г, д) приведены цоколёвки микросхем рассматриваемого семейства в корпусах SSOP28, UQFN36, TQFР48/UQFN48, TQFP64/QFN64, TQFP80. Следует отметить, что на рисунке приведены условные обозначения выводов микросхем RA, RB, RC, RD, RE, реальное назначение этих выводов может быть различным и устанавливается при отладке микросхем. Описание процесса отладки приведено в спецификациях и руководствах по применению микросхем. Рис. 1. Номенклатура цифровых сигнальных контроллеров семейства dsPIC33CH128MP508 Рис. 2. Номенклатура цифровых сигнальных контроллеров семейства dsPIC33CH128MP208 Рис. 3. Цоколёвки корпусов микросхем dsPIC33CH SSOP28 (а), UQFN36 (б), TQFР48/UQFN48 (в), TQFP64/QFN64 (г), TQFP80 (д) Цифровые сигнальные контроллеры компании по сравнению с сопоставимыми цифровыми сигнальными процессорами (DSP) характеризуются большей функциональностью и оснащённостью интерфейсами и интегрированными устройствами. Ядра Master и Slave микросхем могут работать и отлаживаться отдельно друг от друга. Обе подсистемы имеют свои собственные контроллеры прерываний, генераторы тактовых импульсов, логику портов, мультиплексоры ввода/вывода. В результате микросхемы dsPIC33CH эквивалентны двум DSC на одном кристалле, при этом ведущее ядро выполняет код из программной флеш-памяти (PFM), а ведомое ядро – из программной оперативной памяти (PRAM). Обобщённая структурная схема микросхем семейства dsPIC33CH128MP508, а также других семейств серии dsPIC33CH, например dsPIC33CH512MP508, приведена на рис. 4, цифры в скобках на рисунке означают количество устройств. Рис. 4. Структурная схема ЦСК dsPIC33CH Одной из областей применения микросхем рассматриваемых семейств являются интеллектуальные системы питания (Intelligent Power), такие как AC/DC-, DC/DC-, DC/AC-преобразователи, беспроводные зарядные устройства, солнечные панели, системы управления батарейным питанием и цифровые системы управления питанием. Для примера на рис. 5 приведена схема бесперебойного источника питания на основе микросхемы семейства dsPIC33CH128MP508. Микросхема обеспечивает преобразование сетевого переменного напряжения в постоянное, обратное преобразование постоянного напряжения от выпрямителя или аккумулятора и, при необходимости, его подзарядка. Рис. 5. Обобщённая схема источника бесперебойного питания Компания выпускает широкую номенклатуру 16-разрядных микроконтроллеров под общим названием PIC24F с высоким быстродействием для гибких и инновационных проектов с высоким уровнем интеграции периферийных устройств. Микроконтроллеры PIC24F обеспечивают поддержку таких периферийных устройств и интерфейсов, как UART, USB, SPI, I²C, ШИМ и таймеры, а также специализированные периферийные устройства для графических сегментных ЖК-дисплеев и аудиоприложений (АЦП, ЦАП, компараторы и ОУ). Кроме того, микроконтроллеры содержат независимые от ядра периферийные устройства, такие как конфигурируемые логические ячейки (CLC), схемы прямого доступа к памяти (DMA) и криптографические ускорители. Ряд микросхем семейства PIC24F предназначен для эксплуатации в жёстких условиях в системах промышленной автоматизации и автомобильных приложениях. В каталоге компании 2022 года представлено несколько групп микроконтроллеров PIC24F, разделённых на семейства (PIC24F’GB, PIC24F’GL, PIC24F’GD, PIC24F’GU и другие). В каждое семейство входит несколько подсемейств микроконтроллеров, отличающихся между собой в основном объёмом флеш-памяти. Рассмотрим особенности микроконтроллеров PIC24F на примере семейства PIC24FJ256GA412/GB412. Микросхемы позиционируются как 16-разрядные микроконтроллеры с криптографическим устройством, сдвоенной флеш-памятью, поддержкой XLP, ЖК-дисплеев и USB OTG. Состав микросхем семейства и их функциональность приведены на рис. 6. Рис. 6. Номенклатура микроконтроллеров семейства PIC24FJ256GA/GB Центральным элементом всех микросхем рассматриваемого семейства является 16-разрядная Гарвардская архитектура, впервые применённая в dsPIC-контроллерах компании. Ядро

• центрального процессора микросхем семейства предлагает широкий спектр новых возможностей, в том числе:
• 16-разрядные данные и 24-разрядные адресные пути с возможностью перемещения информации между данными и пространствами памяти,
• линейная адресация до 12 МБ (программное пространство) и до 32 КБ (данные),
• 16-элементный массив рабочих регистров со встроенной поддержкой программного стека,
• аппаратный множитель 17×17 с поддержкой целочисленных вычислений,
• аппаратная поддержка преобразования 32-разрядных данных в 16-разрядные,
• набор инструкций, поддерживающий несколько режимов адресации, оптимизированный для языков высокого уровня, таких как «С»,
• операционная производительность до 16 MIPS.

Микросхемы данного и других семейств серии PiC24F могут с успехом применяться в устройствах с экстремально низким энергопотреблением XLP (Extreme Low-Power). Семейство микросхем включает в себя значительно расширенный набор режимов работы для максимального энергосбережения, в том числе новых:

• Retention Sleep (удержание спящего режима) – в этом режиме основные устройства получают питание от отдельного низковольтного стабилизатора,
• Deep Sleep («глубокий сон») – режим без часов реального времени (RTCC) для минимально возможного энергопотребления (RTCC – Rial Time Clock/Calendar),
• Vbat Mode – режим резервного питания с часами реального времени (или без них), при котором питание производится от резервной батареи в случаях отключения от нормы штатного напряжения питания.

Микроконтроллеры семейства также поддерживают стандартные режимы энергосбережения, например, в режиме Doze поддерживается работа тактового генератора. Отличительной особенностью микросхем рассматриваемого семейства является применение флеш-памяти с двумя разделами (Dual Partition Flash), что позволяет микроконтроллерам семейства использовать ряд новых возможностей, недоступных ранее:

• работа с двумя разделами памяти, при которой два разных приложения могут храниться в их собственных разделах кода,
• обновление в реальном времени, которое позволяет основному приложению продолжать работу, пока перепрограммируется второй раздел флеш-памяти,
• прямое программирование во время обработки данных из ОЗУ с возможностью их сжатия,
• возможность объединения разделов флеш-памяти для увеличения общего объёма и использования более сложных приложений,
• у всех микроконтроллеров семейства предусмотрено пять вариантов реализации тактовых генераторов, как на основе внутренних схем, так и с подачей внешних тактовых сигналов.

Независимо от объёма памяти все микроконтроллеры семейства имеют одинаковый набор периферийных устройств, что позволяет легко модернизировать конечные устройства для работы с более сложными приложениями путём простой замены конкретных микросхем на другие с бо́льшим объёмом памяти. Криптографические модули микроконтроллеров семейства предоставляют эффективный набор параметров безопасности данных. Используя собственный автономный математический движок, модули могут независимо выполнять стандартное шифрование и дешифрование данных независимо от центрального процессора. Криптографический алгоритм поддерживает симметричное блочное шифрование по стандартам AES, DES/3DES в пяти режимах с длиной слов от 128 бит до 256 бит. Дополнительные функции включают генерацию истинного случайного числа (TRNG) внутри ядра, несколько вариантов хранения ключей шифрования/дешифрования и безопасную обработку данных, которая предотвращает компрометацию данных в ядре при внешнем чтении. Интерфейс USB микроконтроллеров семейства обеспечивает функцию OTG (On-The-Go / «на ходу»), обеспечивающую соединение двух приборов по стандарту USB2.0 без промежуточного хоста. Благодаря применению протокола согласования USB-хоста HNP (Host Negotiation Protocol) возможно динамическое переключение между работой в режиме хоста или периферии. Это позволяет использовать гораздо более широкий спектр приложений с поддержкой USB. Микроконтроллеры семейства обеспечивают работу в режиме прямого доступа к памяти DMA (Direct Memory Access), действующего совместно с центральным процессором, что позволяет перемещать данные между памятью данных и периферийными устройствами без вмешательства ЦП. Применение DMA увеличивает пропускную способность каналов передачи данных и уменьшает время выполнения операций. Шесть независимо программируемых каналов позволяют обслуживать несколько периферийных устройств практически одновременно, при этом каждое из устройств может выполнять разные операции с разными протоколами передачи данных. Встроенный контроллер ЖК-дисплеев микросхем семейства включает в себя множество функций, упрощающих интеграцию дисплеев в приложения с низким энергопотреблением, для чего имеются встроенные регулятор напряжения с подкачкой заряда (ГПЗ/Charge Pump) и резистивная «лестница» (Resistor Ladder) для управления ЖК-дисплеями в режимах с открытым коллектором/стоком. Для обеспечения внешних связей в рассматриваемых микроконтроллерах имеется несколько устройств с последовательной передачей данных, каждое из которых содержит шесть независимых каналов UART со встроенными кодерами/декодерами сигналов стандартов irDA, используемых для организации инфракрасных каналов связи. Микросхемы также содержат три независимых модуля для шины I²C с поддержкой режимов Master/Slave, а также три модуля для сигналов стандарта SPI с поддержкой звукового формата I²S. Все микроконтроллеры рассматриваемого семейства оснащены аналоговыми и аналого-цифровыми модулями – 12-разрядными АЦП, компараторами, схемами измерения времени заряда батарей CTMU (Charge Time Measurement Unit), а также часами и календарём реального времени RTCC. Микросхемы семейств выпускаются в различных корпусах и с различным числом выводов: 64-TQFP/QFN, 100-TQFP, 121-TFBGA, обобщённая структурная схема микроконтроллеров семейства приведена на рис. 7. Различное число выводов корпусов микроконтроллеров объясняется различным числом встроенных устройств, интерфейсов и каналов – таймеров, UART, USB OTG, АЦП, компараторов и др., а также числом возможных функций выводов микросхем, назначаемым при программировании. Рис. 7. Обобщённая структурная схема микроконтроллеров семейства PIC24FJ256GA/GB

Литература

1. Официальный сайт Microchip // URL: https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/16-bit-mcus. Официальный сайт Microchip // URL: https://www.microchip.com/en-us/products/microcontrollers-and-microprocessors/16-bit-mcus.