探秘MCXE315/316/317/31B：5V強勁Arm Cortex M7 MCU的卓越性能

在電子工程師的世界里，不斷尋求高性能、高可靠性的微控制器（MCU）是永恒的追求。今天，我們就來深入剖析NXP Semiconductors推出的MCXE315/316/317/31B系列，一款具備強大功能和出色特性的5V Arm Cortex M7 MCU，且符合SIL2標準。

文件下載：NXP Semiconductors MCX E31微控制器（MCU）.pdf

一、產品概述

MCXE31系列是對Arm? Cortex? - M4F MCX E24系列芯片的進一步拓展。它采用了更高頻率的Arm Cortex - M7核心，擁有更多的內存、SIL 2評級以及先進的安全模塊，專注于商業和工業環境的穩健性。這使得該系列設備非常適合在電氣惡劣環境下的廣泛應用，并且針對成本敏感型應用進行了優化，提供了節省空間的新封裝選項。同時，系列內的設備共享通用外設和引腳布局，方便開發者在芯片系列內或不同芯片系列間輕松遷移，以利用更多的內存或功能集成。

二、關鍵特性

（一）核心性能

• 高頻率處理：搭載160 MHz的Arm? Cortex? - M7核心，擁有846 CoreMark?（5.28 CoreMark/MHz）的出色性能，能夠高效處理復雜任務。
• 安全認證：符合EC61508安全標準，目標獲得SIL 2認證，為安全關鍵型應用提供了可靠保障。
• 安全防護：具備EdgeLock? Secure Enclave高級配置文件，提供平臺安全防護。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40 °C至 + 135 °C，適應各種惡劣環境。

（二）運行特性

• 寬電壓范圍：電壓范圍為2.97 V至5.5 V，為不同電源環境提供了靈活性。
• 全功率模式溫度范圍：環境溫度范圍在 - 40 °C至135 °C之間，適用于所有功率模式。

（三）時鐘接口

提供多種時鐘源選擇，包括8 - 40 MHz的快速外部振蕩器（FXOSC）、48 MHz的快速內部RC振蕩器（FIRC）、32 kHz的低功耗振蕩器（SIRC）、32 kHz的慢速外部振蕩器（SXOSC）以及系統鎖相環（SPLL），滿足不同應用的時鐘需求。

（四）I/O和封裝

提供LQFP48、HDQFP100、HDQFP172等多種封裝選項，并且支持多達32通道的DMA，擁有多達128個請求源，通過DMAMUX實現高效數據傳輸。

（五）內存和內存接口

• 大容量閃存：具備高達4 MB的程序閃存內存，并帶有ECC糾錯功能，確保數據的完整性。
• 靈活數據閃存：高達128 KB的靈活程序或數據閃存內存，滿足不同數據存儲需求。
• 高速SRAM：高達512 KB的SRAM并帶有ECC，其中包括96 KB的TCM RAM，可確保快速控制回路的最大CPU性能，減少延遲。
• 緩存機制：每個核心都配備數據和指令緩存，減少內存訪問延遲對性能的影響。
• QuadSPI支持：支持QuadSPI接口，提高數據傳輸速度。

（六）混合信號模擬

• 多通道ADC：多達三個12位的模數轉換器（ADC），每個模塊最多可提供24個通道的模擬輸入。
• 溫度傳感器：內置一個溫度傳感器（TempSense），可實時監測芯片溫度。
• 模擬比較器：多達三個模擬比較器（CMP），每個比較器都有一個內部8位DAC。

（七）人機接口（HMI）

• 豐富GPIO引腳：多達145個GPIO引腳，提供了豐富的輸入輸出接口。
• 非屏蔽中斷：具備非屏蔽中斷（NMI）功能，確保關鍵信號的及時響應。
• 喚醒功能：多達59個引腳具有喚醒功能，可實現低功耗模式下的快速喚醒。
• 中斷支持：多達32個引腳支持中斷功能，方便處理外部事件。

（八）電源管理

• 低功耗核心：采用低功耗的Arm Cortex - M7核心，在保證性能的同時，實現了出色的能源效率。
• 電源管理控制器：配備電源管理控制器（PMC），支持簡化的模式管理（RUN和STANDBY），并支持外設特定的時鐘門控，僅在低功耗模式下讓特定外設保持工作。

（九）通信接口

• 串口通信：多達16個串行通信接口（LPUART）模塊，支持LIN、UART和DMA，滿足不同串口通信需求。
• SPI接口：多達六個低功耗串行外設接口（LPSPI）模塊，支持DMA，提高數據傳輸效率。
• I2C接口：多達兩個低功耗內部集成電路（LPI2C）模塊，支持DMA，方便與其他I2C設備通信。
• CAN接口：多達六個FlexCAN模塊（可選CAN - FD支持），適用于汽車和工業通信。
• FlexIO模塊：FlexIO模塊提供靈活和高性能的串行接口，可根據需求自定義功能。
• 以太網接口：多達一個以太網模塊，支持網絡通信。
• 音頻接口：多達兩個同步音頻接口（SAI）模塊，可用于音頻處理。

（十）可靠性、安全性和保障

• 軟件看門狗：多達兩個內部軟件看門狗定時器（SWT），確保系統的穩定性。
• 糾錯碼：所有內存都采用糾錯碼（ECC），提高數據的可靠性。
• 錯誤檢測碼：數據路徑采用錯誤檢測碼（EDC），及時發現數據傳輸錯誤。
• 循環冗余校驗：配備循環冗余校驗（CRC）模塊，用于數據校驗。
• 唯一標識符：擁有120位的唯一標識符（ID）號碼，方便設備識別。
• 跨域保護：擴展的跨域域控制器（XRDC），為核心訪問權限提供保護。
• I/O保護：虛擬化包裝器（VIRT_WRAPPER），提供I/O保護。

（十一）調試功能

提供豐富的調試功能，包括串行線JTAG調試端口（SWJ - DP）、調試觀察點和跟蹤（DWT）、串行線輸出（SWO）、儀器跟蹤宏單元（ITM）、CoreSight AHB跟蹤宏單元（HTM）、閃存補丁和斷點（FPB）以及串行線查看器（SWV），方便開發者進行調試和故障排查。

三、產品對比

該系列中的不同型號芯片在內存、頻率、通信接口等方面存在差異，以滿足不同應用的需求。例如，MCXE31B擁有4 MB的程序閃存內存、512 KB的SRAM、32個DMA通道、6個FlexCAN實例、1個以太網模塊和2個SAI實例等，而MCXE315的配置則相對較低。開發者可以根據具體項目需求選擇合適的芯片。

四、電氣特性

（一）絕對最大額定值

在使用MCU時，需要注意絕對最大額定值。當MCU處于未供電狀態時，通過芯片引腳注入的電流可能會偏置內部芯片結構，導致不可預測的芯片行為。絕對最大額定值表示內部電路承受這種情況而不造成物理損壞的能力，但并不意味著芯片在這些條件下能正常工作。

（二）電壓和電流工作要求

該MCU的電壓和電流工作要求涵蓋了多個方面，如主I/O和模擬電源電壓、閃存內存電源、核心邏輯電壓等。同時，對不同電壓下的連續直流輸入電流和注入電流總和也有明確規定。在設計電路時，需要嚴格遵循這些要求，以確保芯片的正常工作。

（三）熱工作特性

芯片的環境溫度范圍為 - 40 °C至135 °C，結溫最大為135 °C。在實際應用中，需要考慮芯片的功耗、封裝熱阻、PCB屬性、環境條件等因素對結溫的影響，以確保芯片在安全溫度范圍內工作。

（四）ESD和閂鎖保護特性

該MCU具備一定的靜電放電（ESD）和閂鎖保護能力，如人體模型（HBM）的靜電放電電壓為 - 2000至2000 V，帶電設備模型（CDM）的靜電放電電壓也有相應規定。在設計和使用過程中，需要采取適當的措施來保護芯片免受ESD和閂鎖的影響。

（五）熱屬性

芯片的結溫不僅取決于封裝熱阻，還與芯片功耗、PCB屬性、環境條件以及PCB上其他發熱IC的累積效應有關。在進行熱設計時，需要采取適當的措施，如添加散熱解決方案、改善PCB熱性能和環境條件等，以確保芯片能夠安全地散發熱量，不超過最大結溫。同時，建議使用封裝模型進行設計和風險評估。

五、電源管理

（一）電源模式轉換操作行為

該MCU支持RUN和STANDBY等電源模式，不同模式之間的轉換時間有所不同。例如，RUN到STANDBY的轉換時間為955 ns，STANDBY到RUN的快速退出時間為53 μs，正常退出時間為80 μs。此外，還給出了不同情況下的啟動時間和HSE固件內存驗證時間的示例。

（二）電源監控

該MCU具備多種電源監控功能，如低電壓檢測（LVD）、高電壓檢測（HVD）、欠壓復位（LVR）等，可實時監測電源電壓的變化，并在異常時采取相應措施。

（三）推薦的去耦電容

為了保證電源的穩定性，推薦在每個電源引腳附近使用適當的去耦電容。例如，每個電源引腳需要一個70 - 100 nF的去耦電容，輸入電源需要一個4.7 μF的大容量電容等。同時，建議使用低ESR的陶瓷電容，并將其盡可能靠近相應的電源和接地引腳。

（四）V15調節器

MCXE31B支持線性調節器級，帶有一個專用引腳來控制外部NPN雙極晶體管。文檔中給出了V15調節器的電氣規格，如輸出電壓、輸入電壓、源電流、吸收電流等。

（五）電源電流

文檔提供了不同芯片在STANDBY、低速RUN和RUN等模式下的電源電流數據。需要注意的是，這些數據是初步的，基于首批樣品，實際電流可能會因硅片分布和用戶配置的不同而有所變化。

（六）操作模式

該MCU提供了多種操作模式的配置選項，如STANDBY、低速RUN和FIRC模式等。在不同模式下，核心、振蕩器、閃存、外設等的工作狀態和頻率有所不同，開發者可以根據實際需求選擇合適的模式，以實現低功耗和高性能的平衡。

（七）循環喚醒電流

循環喚醒電流是指設備在RUN模式和STANDBY模式之間周期性切換時的平均電流消耗?？梢酝ㄟ^公式ICYCL = RUN Current According to Ratio + STANDBY Current According to Ratio來計算。文檔中給出了一個具體的示例，展示了如何計算循環喚醒電流。

六、I/O參數

（一）GPIO直流電氣規格

該MCU的GPIO引腳在3.3V范圍（2.97V - 3.63V）和5.0V（4.5V - 5.5V）下的直流電氣規格包括輸入高、低電平閾值、輸入泄漏電流、輸入電容、上拉/下拉電阻、輸出高/低電流等。泄漏電流與引腳類型和復用的模擬功能數量有關，在設計電路時需要根據具體情況進行考慮。

（二）GPIO輸出交流規格

文檔給出了5.0V（4.5V - 5.5V）和3.3V（2.97V - 3.63V）下GPIO輸出的交流規格，如上升/下降時間等。這些規格與負載電容、驅動強度等因素有關，在進行信號完整性設計時需要參考這些參數。

（三）毛刺濾波器

毛刺濾波器參數適用于WKPU引腳和TRGMUX輸入60 - 63的濾波器。脈沖在最大濾波和最小未濾波之間可能會或可能不會通過，小于最大濾波值的脈沖將被過濾，大于最小未濾波值的脈沖將不會被過濾。

七、閃存內存規格

（一）閃存內存編程和擦除規格

文檔給出了閃存內存的編程和擦除規格，如雙字（64位）、頁（256位）、四頁（1024位）等的編程時間，以及8 KB扇區、256 KB塊、512 KB塊、1 MB塊、2 MB塊等的擦除時間。這些時間在不同的溫度和使用周期下會有所變化。

（二）閃存內存陣列完整性和邊緣讀取規格

閃存內存陣列完整性和邊緣讀取時間取決于系統頻率和每次讀取的時鐘數，需要通過特定的公式進行計算。

（三）閃存內存模塊壽命規格

閃存內存模塊的壽命規格包括每個塊的編程/擦除周期數和數據保留時間。不同大小的塊在不同的編程/擦除條件下，其壽命有所不同。例如，256 KB和512 KB塊使用扇區擦除時，每個塊的編程/擦除周期數可達100,000次；1 MB和2 MB塊使用扇區擦除時，每個塊的編程/擦除周期數為1,000次。

（四）閃存內存AC時序規格

閃存內存的AC時序規格包括從啟動編程/擦除到完成的時間、從中止編程/擦除到完成的時間、退出低功耗模式后的恢復時間等。這些時間與系統時鐘周期有關。

（五）閃存內存讀取時序參數

根據閃存頻率的不同，需要設置不同的RWSC值，以確保正確的讀取操作。例如，當250 KHz < 頻率 ≤ 66 MHz時，RWSC設置為1。

八、模擬模塊

（一）SAR_ADC

SAR_ADC的規格包括電源電壓、輸入電壓范圍、時鐘頻率、采樣時間、轉換時間等。在使用ADC時，最佳性能可以通過僅使一個ADC同時對一個通道進行采樣來實現。

（二）電源診斷

電源診斷規格包括對內部監控電源的偏移、開關時間、所需的ADC采樣時間等。在使用時需要注意，當V15 > VDD_HV_A + 100mV時，通過模擬多路復用器對V15的測量可能不準確。

（三）低功耗比較器（LPCMP）

低功耗比較器的規格包括不同模式下的電源電流、傳播延遲、初始化延遲、模擬輸入偏移電壓、模擬比較器滯后等。在設計時，需要考慮輸入信號的交叉耦合和噪聲過濾問題，以及不同參考電壓下的線性度。

（四）溫度傳感器

溫度傳感器的規格包括監測的結溫范圍、V25上的導通狀態電流消耗、溫度輸出誤差、電路啟動時間、所需的ADC采樣時間等。需要注意的是，溫度傳感器測量的是芯片上特定位置的結溫，其誤差不包括ADC轉換和溫度計算公式帶來的誤差。

九、時鐘模塊

（一）FIRC

FIRC的標稱頻率為48 MHz，頻率偏差在 - 5%至5%之間，啟動時間為10 - 25 μs。

（二）SIRC

SIRC的標稱頻率為32 KHz，頻率偏差在 - 10%至10%之間，啟動時間不超過3 ms，占空比為30% - 70%。

（三）PLL

PLL的輸入頻率為8 - 40 MHz，輸出頻率為25 - 320 MHz，VCO頻率范圍為640 - 1280 MHz。PLL的鎖定時間不超過1 ms，在不同模式下的周期抖動和累積抖動也有相應規定。需要注意的是，抖動值僅適用于FXOSC參考時鐘輸入，并且在使用SSCG時，累積抖動規格無效。

（四）FXOSC

FXOSC在旁路模式下的輸入時鐘頻率不超過50 MHz，上升/下降時間不超過5 ns，占空比為47.5% - 52.5%。在晶體模式下，輸出時鐘頻率為8 - 40 MHz。FXOSC內部集成了反饋電阻，以確保穩定振蕩。在設計時，需要注意晶體的選擇和負載電容的匹配，以確保啟動時間和振蕩穩定性。

（五）SXOSC

SXOSC支持單一頻率32.768 KHz，啟動時間取決于電路板和晶體模型，不超過2 s，模擬電路的電源電流為2.1 - 10 μA，NMOS放大器的跨導為3 - 40 μA/V。

十、通信接口

（一）LPSPI

LPSPI提供同步串行總線，支持主從操作。其外設頻率在主、從和主回環模式下有所不同，操作頻率也根據不同的配置有相應規定。文檔還給出了SPSCK周期、數據設置和保持時間、數據有效和無效時間等時序特性。

（二）I2C

I2C的規格可參考I/O參數部分，支持的波特率可在參考手冊的“芯片特定LPI2C信息”部分查看。

（三）FlexCAN特性

FlexCAN的規格可參考I/O參數部分，支持的波特率可在參考手冊的“協議時序”部分查看