Atmel SAM D21系列微控制器：低功耗高性能之選

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，選擇合適的微控制器對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。Atmel SAM D21系列微控制器以其豐富的特性和出色的性能，成為眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款微控制器。

文件下載：ATSAMD21E16A-AU.pdf

一、產(chǎn)品概述

Atmel SAM D21是一系列采用32位ARM Cortex - M0+處理器的低功耗微控制器。它的引腳數(shù)量從32到64不等，擁有高達(dá)256KB的閃存和32KB的SRAM。該系列設(shè)備的最高運(yùn)行頻率可達(dá)48MHz，每兆赫茲能達(dá)到2.14 Coremark。其設(shè)計(jì)便于產(chǎn)品系列內(nèi)各設(shè)備之間的遷移，具有相同的外設(shè)模塊、十六進(jìn)制兼容代碼、相同的線性地址映射和引腳兼容的遷移路徑。

二、主要特性

（一）處理器

• 高性能CPU：ARM Cortex - M0+ CPU最高運(yùn)行頻率可達(dá)48MHz，具備單周期硬件乘法器和微跟蹤緩沖區(qū)，能有效提升處理速度和效率。
• 指令集兼容：與Cortex - M0核心100%指令集兼容，并且向上兼容Cortex - M3和M4核心，方便代碼移植和開發(fā)。

（二）存儲(chǔ)器

• 閃存：提供32/64/128/256KB的系統(tǒng)內(nèi)自編程閃存，滿足不同項(xiàng)目對(duì)存儲(chǔ)容量的需求。
• SRAM：有4/8/16/32KB的SRAM可供選擇，為程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理提供充足的空間。

（三）系統(tǒng)

• 電源管理：具備上電復(fù)位（POR）和欠壓檢測(cè)（BOD）功能，保障系統(tǒng)在不同電源條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 時(shí)鐘選項(xiàng)：提供內(nèi)部和外部時(shí)鐘選項(xiàng)，包括48MHz數(shù)字鎖頻環(huán)（DFLL48M）和48MHz至96MHz分?jǐn)?shù)數(shù)字鎖相環(huán)（FDPLL96M），可靈活配置系統(tǒng)時(shí)鐘。
• 中斷控制：外部中斷控制器（EIC）支持16個(gè)外部中斷和1個(gè)不可屏蔽中斷，還配備兩線串行線調(diào)試（SWD）編程、測(cè)試和調(diào)試接口，方便開發(fā)和調(diào)試。

（四）低功耗設(shè)計(jì)

• 睡眠模式：擁有空閑和待機(jī)兩種軟件可選睡眠模式?？臻e模式下CPU停止運(yùn)行，其他功能可繼續(xù)保持；待機(jī)模式下除選定繼續(xù)運(yùn)行的功能外，所有時(shí)鐘和功能都停止。
• SleepWalking功能：允許外設(shè)根據(jù)預(yù)定義條件從睡眠中喚醒，使CPU僅在需要時(shí)喚醒，有效降低功耗。

（五）外設(shè)

• DMA控制器：12通道直接內(nèi)存訪問控制器（DMAC），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。
• 事件系統(tǒng)：12通道事件系統(tǒng)，支持同步和異步事件，即使在待機(jī)模式下，外設(shè)也能接收、響應(yīng)和發(fā)送事件。
• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：多達(dá)五個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TC）和三個(gè)24位控制用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TCC），TC可配置為不同模式，TCC具有擴(kuò)展功能，如生成同步脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式、確定性故障保護(hù)等。
• 通信接口：一個(gè)全速（12Mbps）通用串行總線（USB）2.0接口，支持嵌入式主機(jī)和設(shè)備功能；多達(dá)六個(gè)串行通信接口（SERCOM），可配置為USART、I2C、SPI、LIN從機(jī)等；一個(gè)兩通道I2S接口。
• 模擬外設(shè)：一個(gè)12位、350ksps的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），最多20個(gè)通道，支持差分和單端輸入，具備可編程增益、自動(dòng)偏移和增益誤差補(bǔ)償?shù)裙δ?；一個(gè)10位、350ksps的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；兩個(gè)帶窗口比較功能的模擬比較器（AC）。
• 觸摸控制器：外設(shè)觸摸控制器（PTC）支持256通道電容式觸摸和接近感應(yīng)。

（六）I/O

• 最多52個(gè)可編程I/O引腳，并且與SAM D20引腳兼容，方便進(jìn)行升級(jí)和替換。

（七）封裝

提供64引腳TQFP、QFN，48引腳TQFP、QFN和32引腳TQFP、QFN等多種封裝形式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

（八）工作電壓

工作電壓范圍為1.62V - 3.63V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

三、產(chǎn)品配置

SAM D21系列包括SAM D21J、SAM D21G和SAM D21E三種型號(hào)，它們?cè)谝_數(shù)量、通用I/O引腳數(shù)量、閃存和SRAM容量、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)例等方面存在差異，工程師可以根據(jù)具體項(xiàng)目需求進(jìn)行選擇。

四、訂購(gòu)信息

不同型號(hào)的SAM D21微控制器有多種訂購(gòu)代碼可供選擇，涵蓋了不同的閃存容量、封裝形式和載體類型。例如，ATSAMD21E15A - AUT表示32KB閃存、TQFP32封裝、卷帶包裝的SAM D21E型號(hào)。

五、引腳配置與復(fù)用

（一）引腳復(fù)用

每個(gè)引腳默認(rèn)由PORT作為通用I/O控制，也可分配給外設(shè)功能A - H。要啟用引腳上的外設(shè)功能，需將PORT中對(duì)應(yīng)引腳配置寄存器的外設(shè)復(fù)用使能位（PINCFGn.PMUXEN）置為1，并通過PORT中外設(shè)復(fù)用寄存器（PMUXn.PMUXE/O）選擇外設(shè)功能。

（二）特殊引腳

• 振蕩器引腳：振蕩器的復(fù)用由系統(tǒng)控制器（SYSCTRL）中的寄存器控制，如XOSC的XIN引腳為PA14，XOUT引腳為PA15；XOSC32K的XIN32引腳為PA00，XOUT32引腳為PA01。
• 串行線調(diào)試接口引腳：只有SWCLK引腳映射到正常PORT功能，調(diào)試器的冷插拔或熱插拔檢測(cè)會(huì)自動(dòng)將SWDIO端口切換到SWDIO功能，SWCLK引腳為PA30，SWDIO引腳為PA31。

六、電源供應(yīng)與啟動(dòng)考慮

（一）電源域概述

SAM D21有多個(gè)不同的電源供應(yīng)引腳，包括VDDIO、VDDIN、VDDANA和VDDCORE。VDDIO、VDDIN和VDDANA需施加相同的電壓（(V_{DD})），范圍為1.62V - 3.63V；VDDCORE為內(nèi)部穩(wěn)壓輸出，電壓為1.2V。

（二）電壓調(diào)節(jié)器

SAM D21的電壓調(diào)節(jié)器有正常模式和低功耗（LP）模式。正常模式用于CPU和外設(shè)運(yùn)行時(shí)；低功耗模式用于調(diào)節(jié)器靜態(tài)電流較小時(shí)，可在待機(jī)模式下使用。

（三）上電序列

• 時(shí)鐘啟動(dòng)：上電后，設(shè)備進(jìn)入初始狀態(tài)并保持復(fù)位，直到電源穩(wěn)定。之后使用1MHz時(shí)鐘，該時(shí)鐘由8MHz內(nèi)部振蕩器（OSC8M）分頻得到，作為通用時(shí)鐘發(fā)生器0的時(shí)鐘源，通用時(shí)鐘發(fā)生器0是電源管理器（PM）的主時(shí)鐘。
• I/O引腳：上電后，I/O引腳處于三態(tài)。
• 初始指令獲取：復(fù)位釋放后，CPU從復(fù)位地址（0x00000000）獲取PC和SP值，該地址指向內(nèi)部閃存中的第一個(gè)可執(zhí)行地址，代碼可自由配置時(shí)鐘系統(tǒng)和時(shí)鐘源。

（四）上電復(fù)位和欠壓檢測(cè)

• POR：監(jiān)控VDDANA，始終激活，在啟動(dòng)和所有睡眠模式下監(jiān)控電壓，若VDDANA低于閾值電壓，整個(gè)芯片將復(fù)位。
• BOD33：監(jiān)控VDDANA。
• BOD12：設(shè)備啟動(dòng)后，監(jiān)控內(nèi)部VDDCORE，其校準(zhǔn)配置存儲(chǔ)在NVM用戶行中，用戶行寫入時(shí)不應(yīng)更改該配置，以確保BOD12的正確行為。

七、存儲(chǔ)器

（一）嵌入式存儲(chǔ)器

包括內(nèi)部高速閃存和內(nèi)部高速RAM，可實(shí)現(xiàn)全速單周期訪問。

（二）物理內(nèi)存映射

32位物理地址空間的映射固定，不同型號(hào)的閃存和SRAM容量有所不同，如SAMD21x18的嵌入式閃存為256KB，SRAM為32KB。

（三）NVM用戶行映射

NVM用戶行包含校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，上電時(shí)自動(dòng)讀取，可在地址0x804000讀取，寫入時(shí)需參考“NVMCTRL – 非易失性存儲(chǔ)器控制器”。

（四）NVM軟件校準(zhǔn)區(qū)域映射

該區(qū)域包含生產(chǎn)測(cè)試期間測(cè)量和寫入的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可在地址0x806020讀取，但不可寫入，應(yīng)用程序軟件應(yīng)讀取這些校準(zhǔn)值并寫回相應(yīng)寄存器。

（五）序列號(hào)

每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)唯一的128位序列號(hào)，由四個(gè)32位字拼接而成，分別位于0x0080A00C、0x0080A040、0x0080A044和0x0080A048地址。

Atmel SAM D21系列微控制器憑借其豐富的特性、低功耗設(shè)計(jì)和良好的兼容性，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)項(xiàng)目的具體需求，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用微控制器時(shí)，更看重哪些特性呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的觀點(diǎn)。