Freescale K50系列MCU：高性能與低功耗的完美結合

在電子工程師的工具箱里，一款出色的微控制器（MCU）就像是一把瑞士軍刀，能助力我們應對各種復雜的設計挑戰(zhàn)。今天，就來深入聊聊Freescale的K50系列MCU，看看它究竟有哪些過人之處。

文件下載：MK50DX128CMC7.pdf

一、Kinetis產品組合概述

Kinetis是業(yè)內最具擴展性的低功耗、混合信號ARM? Cortex? - M4 MCU產品組合。它的第一階段包含五個MCU系列，超過200種引腳、外設和軟件兼容的設備。這些設備不僅性能卓越，而且在內存和功能上具有高度的可擴展性，通過通用的外設、內存映射和封裝，方便在系列內和系列間進行遷移。

Kinetis MCU采用了Freescale創(chuàng)新的90nm薄膜存儲（TFS）閃存技術和獨特的FlexMemory。它結合了最新的低功耗創(chuàng)新技術、高性能和高精度的混合信號能力，還配備了廣泛的連接性、人機界面以及安全與保障外設。同時，它得到了Freescale市場領先的支持套件以及眾多ARM第三方生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的支持。

二、K50系列介紹

K50 MCU系列具有靈活的低功耗段式LCD控制器，支持多達320個段，具備模擬前端能力，以及全速USB 2.0 On - The - Go和設備充電器檢測功能。設備從64QFN封裝的128 KB閃存開始，最高可擴展到144MAPBGA封裝的512 KB閃存，并配備了豐富的模擬、通信、定時和控制外設。高內存密度的K50系列設備還包括IEEE1588以太網。

三、K50模塊特性

（一）核心模塊

1. ARM Cortex - M4核心：支持高達100 MHz的頻率，每兆赫茲可達1.25 DMIPS?；贏RMv7架構和Thumb? - 2 ISA，采用哈佛總線架構和3級流水線加分支預測，集成了數字信號處理器（DSP）和可配置的嵌套向量中斷控制器（NVIC），以及先進的調試和跟蹤組件。
2. NVIC：與Cortex - M4核心的哈佛架構緊密耦合，實現低延遲中斷處理。多達120個中斷源，包括一個不可屏蔽中斷，具有16級優(yōu)先級，支持中斷嵌套和可重定位向量表。
3. WIC：在低功耗模式下，當系統(tǒng)時鐘禁用時支持中斷處理。在進入深度睡眠時，由NVIC正確初始化后接管并模擬NVIC的行為。
4. 調試控制器：集成了Serial Wire JTAG Debug Port（SWJ - DP），提供標準JTAG或cJTAG接口以及串行線雙向調試接口。還具備Debug Watchpoint and Trace（DWT）、Instrumentation Trace Macrocell（ITM）、Embedded Trace Macrocell（ETM）、CoreSight? Embedded Trace Buffer（ETB）和Test Port Interface Unit（TPIU）等功能，實現強大的調試和跟蹤能力。

（二）系統(tǒng)模塊

1. PMC：提供獨立的數字（穩(wěn)壓）和模擬（參考數字）電源輸出，具有可編程的節(jié)能模式，無需輸出電源去耦電容?？赏ㄟ^RTC和外部輸入從節(jié)能模式喚醒，集成了上電復位（POR）、低壓檢測（LVD）和低壓警告（LVW）中斷功能。
2. DMA MUX：有16個獨立可選擇的DMA通道路由器和4個周期性觸發(fā)源，每個通道路由器可分配到64個可能的外設DMA源之一。
3. DMA控制器：最多32個完全可編程通道，支持8 - 、16 - 、32 - 和128 - 位數據值的雙地址傳輸，具備可編程的源、目標地址和傳輸大小，支持增強地址模式和通道間鏈接。
4. WDOG：具有獨立的、可配置的時鐘源輸入，寫一次控制位和解鎖序列，可編程的超時周期，支持窗口刷新選項和健壯的刷新機制。
5. EWM：獨立的1 kHz LPO時鐘源，輸出信號可控制外部電路。
6. 系統(tǒng)時鐘：包括頻率鎖定環(huán)（FLL）、數字控制振蕩器（DCO）、鎖相環(huán)（PLL）等，提供多種時鐘源選項，支持自動調整內部參考時鐘。

（三）內存和內存接口

1. 片上內存：72MHz性能設備最高可達256KB程序閃存、32KB FlexNVM、2KB FlexRAM和64KB SRAM；100MHz性能設備最高可達512KB程序閃存、256KB FlexNVM、4KB FlexRAM和128KB SRAM，并具備安全電路防止未經授權訪問。
2. 外部總線接口（FlexBus）：六個獨立的、用戶可編程的片選信號，支持高達2 GB的可尋址空間，8 - 、16 - 和32 - 位端口大小，支持多種傳輸模式和可編程的地址設置和保持時間。
3. 串行編程接口（EzPort）：與行業(yè)標準SPI閃存存儲器使用相同的串行接口和部分命令集，可進行閃存的讀寫、擦除和編程，支持復位命令啟動系統(tǒng)。

（四）安全和完整性

1. CRC：硬件CRC生成電路，支持16/32位配置，可編程生成多項式，可檢測多種錯誤，具備可編程初始種子值和高速計算能力。
2. CAU：支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256算法，提供簡單的C調用優(yōu)化安全功能。
3. RNG：支持數字簽名標準中定義的密鑰生成算法，集成熵源為PRNG提供種子。

（五）模擬模塊

1. 16位ADC：采用線性逐次逼近算法，具有多種輸出模式，支持單或連續(xù)轉換，可配置采樣時間和轉換速度/功率，具備轉換完成和硬件平均完成標志及中斷，支持多種輸入時鐘源和低功耗模式。
2. CMP：6位DAC可編程參考發(fā)生器輸出，多達八個可選擇的比較器輸入，支持多種中斷觸發(fā)方式和輸出模式，有兩種性能模式，可在所有MCU電源模式下工作。
3. 12位DAC：12位分辨率，保證6 - sigma單調性，支持高低速轉換，具備掉電模式和異步或同步更新選項，支持自動模式生成波形和DMA支持。
4. VREF：可編程微調寄存器，支持多種模式選擇，室溫下輸出1.2V，有專用輸出引腳。
5. OPAMP和TRIAMP：工作電壓范圍為1.71 - 3.6V，采用低功耗、低電壓CMOS技術，具備低輸入失調電壓和電流、低輸入偏置電流和低電流消耗。

（六）定時器模塊

1. PDB：多達15個觸發(fā)輸入源和軟件觸發(fā)源，最多八個可配置的PDB通道用于ADC硬件觸發(fā)，支持多種觸發(fā)輸出和延遲設置，支持單觸發(fā)或連續(xù)模式，具備DMA支持。
2. FTM：可選擇FTM源時鐘，可編程預分頻器，16位計數器支持多種計數模式，具備輸入捕獲、輸出比較和PWM模式，支持互補輸出和死區(qū)插入，可生成硬件觸發(fā)和軟件控制PWM輸出，具備故障輸入和可編程中斷。
3. PIT：最多4個通用中斷定時器和4個用于觸發(fā)ADC轉換的中斷定時器，32位計數器分辨率，由系統(tǒng)時鐘頻率驅動，支持DMA。
4. 低功耗定時器：可作為定時器或脈沖計數器，支持多種時鐘源和可配置的毛刺濾波器或預分頻器，具備中斷和硬件觸發(fā)功能。
5. CMT：四種操作模式，可獨立控制高低時間，支持FSK模式，可直接軟件控制CMT_IRO信號，具備中斷功能。
6. RTC：獨立電源、POR和32 kHz晶體振蕩器，32位秒計數器和32位鬧鐘，16位預分頻器和補償功能，具備寄存器寫保護。

（七）通信接口

1. 以太網MAC：支持10/100 BaseT/TX，具備半雙工或全雙工能力，支持IEEE 1588標準，支持MII和RMII接口，內置統(tǒng)一DMA和收發(fā)FIFO，支持多種編程模型和喚醒功能。
2. USB On - The - Go模塊：符合USB 2.0規(guī)范，支持主機和設備模式，支持EHCI，可直接連接FS/LS設備，支持低功耗模式和遠程喚醒。
3. USBDCD：兼容多種電源系統(tǒng)，可編程事件定時器，符合USB電池充電規(guī)范1.1版。
4. USB電壓調節(jié)器：5V輸入，3.3V調節(jié)輸出，可為片上USB收發(fā)器和外部組件供電，可消除外部LDO成本。
5. SPI：支持主從模式，全雙工三線同步傳輸，可編程傳輸比特率，具備雙緩沖收發(fā)數據寄存器和多種配置選項，支持DMA。
6. I2C：兼容I2C總線標準和SMBus規(guī)范，支持多主操作，軟件可編程串行時鐘頻率，具備中斷或DMA驅動的數據傳輸和多種中斷功能。
7. UART：支持ISO 7816協(xié)議，全雙工操作，多種數據格式和配置選項，支持多種喚醒方法和中斷或DMA驅動操作。
8. SDHC：兼容多種存儲卡規(guī)范，支持多種數據傳輸模式和塊大小，具備寫保護和多種操作功能，支持DMA和電壓選擇。
9. I2S：支持獨立或共享的收發(fā)部分，支持主從模式，多種數據接口模式和字長，支持AC97。

（八）人機界面

1. GPIO：所有輸入引腳可編程毛刺濾波器和中斷，具備遲滯和可配置上拉/下拉設備，輸出引腳可配置壓擺率和驅動強度，可讀取數字引腳邏輯電平，部分設備支持5V容限。
2. TSI：16通道輸入，支持多達16個獨立觸摸按鈕，4個觸摸按鈕可組合成滑塊，支持低功耗模式喚醒。
3. 段式LCD：LCD波形在低功耗模式下功能正常，最多48個LCD引腳，可選擇前平面/后平面配置，可編程幀頻率和閃爍模式，具備多種電源選項和偏置電壓生成功能。

四、電源模式

K50系列的電源管理控制器（PMC）提供10種不同的操作模式，包括正常運行、等待和停止模式及其變體。用戶可以根據應用需求優(yōu)化功耗，在不同模式下保持I/O狀態(tài)。例如，VLPR模式可在不需要最大總線頻率時大幅降低運行時功耗；VLPS模式是最低功耗模式，同時保持ADC和引腳中斷功能。

五、開發(fā)環(huán)境

（一）Freescale的Tower系統(tǒng)支持

Tower系統(tǒng)是一個模塊化開發(fā)平臺，適用于8位、16位和32位微控制器。它提供多個開發(fā)板或模塊，為從入門級到高級的微控制器開發(fā)提供構建塊。Kinetis系列有相應的Tower模塊，如K40、K60和K53系列的MCU模塊，方便開發(fā)者進行快速原型開發(fā)。

（二）CodeWarrior開發(fā)工作室

CodeWarrior Development Studio for Microcontrollers v10.x將RS08、HCS08、ARM和ColdFire架構的開發(fā)工具集成到基于Eclipse開放開發(fā)平臺的單一產品中。它具有MCU Change Wizard、Freescale Processor Expert和Trace and profile support for on - chip trace buffers等特色功能，方便開發(fā)者進行項目重定向、硬件層問題解決和應用程序調試。

（三）Freescale的MQX?軟件解決方案

MQX實時操作系統(tǒng)（RTOS）免費提供給ARM、ColdFire和ColdFire + MCU的客戶，包括TCP/IP和USB軟件棧以及外設驅動。它具有小內存占用、組件化架構、實時優(yōu)先級搶占式多線程、快速啟動序列和簡單消息傳遞等優(yōu)點，為開發(fā)者提供了一個全面的硬件、軟件、工具和服務解決方案。

（四）其他軟件棧

還提供數學、DSP和加密庫、電機控制庫、觸摸感應軟件套件、免費的引導加載器、嵌入式GUI、MQX? RTOS、USB、TCP/IP棧和MFS文件系統(tǒng)，以及低成本的Nano? SSL/Nano? SSH等軟件棧，同時支持完整的ARM?生態(tài)系統(tǒng)。

Freescale的K50系列MCU憑借其豐富的功能、低功耗特性和完善的開發(fā)環(huán)境，為電子工程師提供了一個強大而靈活的解決方案。無論是工業(yè)控制、消費電子還是物聯(lián)網應用，K50系列都能大顯身手。你在設計中是否使用過K50系列MCU呢？遇到過哪些有趣的挑戰(zhàn)和解決方案？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。