RZ/G2UL Group：32&64位MPU的硬件設計與特性詳解

在硬件設計領域，RZ/G2UL Group的32 & 64位MPUs（微處理器單元）憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多電子工程師關注的焦點。本文將深入剖析RZ/G2UL Group的硬件特性、電氣參數以及使用中的注意事項，為電子工程師們在設計過程中提供全面的參考。

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一、產品概述

1.1 CPU核心

RZ/G2UL Group集成了兩個不同類型的CPU核心：

• Cortex - A55：單核，最高運行頻率達1.0 GHz，具備L2緩存0 Kbyte，L1 I - cache 32 Kbytes（奇偶校驗）/ D - cache 32 Kbytes（ECC），L3緩存256 Kbytes（ECC），支持Arm NEON? / FPU以及加密擴展，采用Arm v8.2 - A架構。
• Cortex - M33：單核，最高運行頻率200 MHz，支持安全擴展，采用Arm v8 - M架構。

1.2 啟動模式

提供6種啟動模式，包括從eSD、eMMC（1.8 V和3.3 V）、串行閃存（SPI Multi I/O總線空間，1.8 V和3.3 V）以及SCIF下載等方式啟動，為不同的應用場景提供了靈活的選擇。

1.3 調試接口

支持Arm CoreSight?架構，具備JTAG/SWD接口，每個集群有16 Kbytes的ETF用于程序流跟蹤，同時支持JTAG禁用功能。

二、硬件特性

2.1 CPU外設

• 時鐘脈沖發生器（CPG）：從外部時鐘（EXCLK 24 MHz）生成時鐘，最大APB - 總線時鐘為100 MHz，支持SSC（擴頻時鐘），最大Cortex - A55時鐘為1.0 GHz，最大Cortex - M33時鐘為200 MHz，最大DDR時鐘為666 MHz（DDR3L - 1333）、800 MHz（DDR4 - 1600），最大AXI - 總線時鐘為200 MHz。
• 直接內存訪問控制器（DMAC）：有2個模塊，每個模塊16個通道，支持片上外設請求和自動請求（軟件觸發），可指定特定的DMA傳輸間隔以調整總線占用率，支持LINK模式，傳輸信息可自動重載。
• 中斷控制器：為Cortex - A55配備Arm? CoreLink?通用中斷控制器（GIC - 600），為Cortex - M33配備嵌套向量中斷控制器（NVIC），還有外部中斷引腳和片上外設中斷，每個模塊可設置優先級。
• 消息處理單元（MHU）：實現Cortex - A55和Cortex - M33之間的消息處理功能，可斷言中斷以通知消息和響應。
• 通用I/O（GPIO）：提供通用I/O端口。
• 熱傳感器單元（TSU）：有1個通道。

2.2 內存接口

• 片上RAM：擁有128 Kbytes（ECC）的RAM。
• 外部內存接口：支持DDR3L - 1333 / DDR4 - 1600，總線寬度為16位，支持在線ECC（支持錯誤檢測中斷），內存大小可達4 Gbytes，支持自動刷新，使用TZC - 400對安全區域進行內存訪問保護（支持Arm? TrustZone?）；SPI Multi I/O總線控制器有1個通道（4位雙數據速率），可連接1個具有多I/O總線大小（單/四）的串行閃存，支持外部地址空間讀取模式（內置讀取緩存），SPI操作模式下，最大時鐘頻率為50 MHz（Quad - SPI DDR）、66 MHz（Quad - SPI SDR）；SD卡主機接口有2個通道，通道0支持SDHI / e - MMC（支持啟動），通道1支持SDHI，支持SD、SDHC和SDXC SD存儲卡訪問，符合SD 3.0，支持默認、高速、UHS - I/SDR50、SDR104傳輸模式，具備錯誤檢查功能和卡檢測功能；多媒體卡接口有1個通道（與SDHI共享），支持e - MMC設備訪問，符合eMMC 4.51，支持高速、HS200傳輸模式。

2.3 視頻和圖形處理

• 圖像縮放單元（ISU）：具備雙線性插值的縮放功能，輸入圖像最大尺寸為5M（2800 × 2047），輸出圖像最大尺寸為全高清（1920 × 1080），支持顏色格式轉換，包括RGB / ARGB / YcbCr422 / YcbCr420 / RAW（灰度）。

2.4 相機和顯示接口

• 相機接口：MIPI CSI - 2接口有1個通道，支持1 - / 2 - / 4 - 通道，支持5MP、30 fps（RAW12），最大帶寬為1.5 Gbps每通道，可從4個VC（虛擬通道）中選擇1個VC，支持多種輸入圖像數據格式。MIPI CSI - 2到AXI橋接模塊支持圖像裁剪、幀采樣、LUT、顏色格式轉換、顏色空間轉換、去馬賽克、線性矩陣和統計等圖像處理功能，支持多種顏色格式。
• 顯示接口：LCD控制器有1個通道（并行輸出），支持2個平面混合（可混合2個不同尺寸的圖像），支持抖動處理（RGB666）、裁剪、RGB伽馬校正LUT等圖像處理功能，支持多種輸入數據格式；并行輸出接口有1個通道，支持WXGA（1280 × 800）、60 fps，支持RGB666 / RGB888輸出數據格式，支持CLK / HD / VD定時信號。

2.5 其他接口

• 聲音接口：RZ/G2UL (Type - 1)有4個通道雙向串行傳輸，RZ/G2UL (Type - 2)有3個通道雙向串行傳輸，有2個外部時鐘源，支持I2S / 單聲道 / TDM音頻格式，支持主從功能，支持8、16、18、20、22、24和32位數據格式，可生成可編程字時鐘和位時鐘，支持多通道格式，支持32級FIFO用于傳輸和接收，支持LR - 時鐘連續功能。
• 存儲和網絡接口：USB2.0有2個通道（ch0：主機 - 功能，ch1：僅主機），符合USB2.0，支持On - The - Go（OTG）功能和電池充電功能，有內部專用DMA；千兆以太網接口（GbE），RZ/G2UL (Type - 1)有2個通道，RZ/G2UL (Type - 2)有1個通道，支持1000 Mbps、100 Mbps和10 Mbps傳輸，支持以太網幀過濾，支持符合IEEE802.3 PHY RGMII（簡化千兆媒體獨立接口）和IEEE802.3 PHY MII（媒體獨立接口）的接口；CANFD接口（RS - CANFD）有2個通道，符合ISO 11898 - 1（2003）和CAN - FD ISO 11898 - 1（CD2014），有消息緩沖區。
• 定時器：多功能定時器脈沖單元3（MTU3a），RZ/G2UL (Type - 1)有9個通道（16位×8通道，32位×1通道），RZ/G2UL (Type - 2)有8個通道（16位×7通道，32位×1通道），模塊時鐘頻率（P0?）為100 MHz，有多種計數時鐘可選，具備輸入捕獲功能、39個輸出比較和輸入捕獲寄存器，支持計數器清除操作、同步輸入/輸出、多個定時器計數器同時寫入、緩沖操作、級聯連接操作，有43種中斷源，支持脈沖輸出模式、寄存器數據自動傳輸、多個計數器同步、多種PWM模式和相位計數模式，具備死區補償計數器功能和數字濾波功能；端口輸出使能3（POE3）有2個通道；看門狗定時器（WDT）有32位×3個通道，有兩種操作模式；通用定時器（GTM）有間隔定時器模式和自由運行比較模式。
• 外設模塊：I2C總線接口有4個通道（ch0,1 = 專用引腳，ch2,3 = 復用引腳），支持主模式和從模式，支持7位和10位從地址格式，支持多主操作，具備超時檢測功能；串行通信接口帶FIFO（SCIFA），RZ/G2UL (Type - 1)有5個通道，RZ/G2UL (Type - 2)有4個通道，可選擇時鐘同步模式或異步模式，支持同時傳輸和接收（全雙工通信），有專用波特率發生器，有獨立的16字節FIFO寄存器用于傳輸和接收，具備調制解調器控制功能；串行通信接口（SCIg）有2個通道，可選擇時鐘同步模式、異步模式或智能卡接口模式，支持同時傳輸和接收（全雙工通信），有專用波特率發生器，可選擇LSB優先/ MSB優先，具備調制解調器控制功能，通道0支持IrDA通信波形的編碼和解碼；Renesas串行外設接口（RSPI）有3個通道，支持SPI操作，支持主模式和從模式，可編程位長度、時鐘極性和時鐘相位，可連續傳輸，可選擇LSB優先/ MSB優先。
• 安全功能：可信安全IP（TSIP）可選，支持通用密鑰加密（AES）、非通用密鑰加密（RSA、ECC），具備TRNG（真隨機數生成器）和唯一ID支持；一次性可編程內存（OTP）是一種非易失性內存，只能寫入一次，可進行安全設置和認證設置，支持一次性讀取功能（128字節）。
• 模擬功能：A/D轉換器（ADC）有2個通道，分辨率為12位，輸入范圍為0 V ~ 1.8 V，轉換時間為1 μs，操作模式有單掃描/連續掃描，轉換模式有單模式/重復模式，A/D轉換啟動條件包括軟件觸發、異步觸發（外部觸發）和同步觸發（MTU定時器）。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

對不同電源電壓（如3.3 V、1.8 V、1.1 V等）、輸入電壓、工作溫度、結溫以及存儲溫度等都有明確的限制范圍，使用時需嚴格遵守，以確保芯片的安全運行。

3.2 電源供應

詳細規定了各種電源電壓的范圍，包括不同工作模式下的最小值、典型值和最大值，如DDR電源電壓在使用DDR4時為1.14 - 1.26 V，使用DDR3L時為1.283 - 1.45 V等。

3.3 電源開啟/關閉順序

明確了各電源的開啟和關閉順序，如先開啟1.1 V電源，再開啟3.3 V電源；DDR IO電源應與1.1 V電源同時或之后開啟；從首次電源上升開始到最后一次電源上升結束必須在100 ms內；電源關閉順序與開啟順序相反；PRST#應在3.3 V電源開啟、輸入時鐘穩定1 μs后從低電平變為高電平。

3.4 DC特性

對不同電壓等級的I/O接口（如3.3 - V I/O、1.8 - V I/O等）的高電平輸入電壓、低電平輸入電壓、輸出邏輯高電壓、輸出邏輯低電壓、輸入滯后電壓等參數進行了詳細規定，為電路設計提供了精確的電氣參數參考。

3.5 AC特性

• 時鐘定時：規定了EXCLK、AUDIO_CLK1和AUDIO_CLK2等時鐘的輸入頻率、周期時間、高低電平脈沖寬度、上升時間和下降時間等參數，以及振蕩器穩定時間、模式保持時間和模式設置時間等。
• 各種接口訪問定時：包括SDHI、eMMC、LCDC、USB 2.0、以太網接口、JTAG調試器接口、SPI Multi I/O總線控制器、控制信號、串行聲音接口、CAN - FD接口、多功能定時器脈沖單元3、端口輸出使能3、I2C總線接口、串行通信接口帶FIFO、串行通信接口、Renesas串行外設接口、A/D轉換器和看門狗定時器等接口的訪問定時參數，確保了各接口在不同工作模式下的穩定運行。

四、產品陣容

RZ/G2UL Group有Type - 1和Type - 2兩種類型，均采用13 mm BGA封裝，部分產品支持安全功能，包括加密擴展、可信安全IP、Trust Zone、HW密鑰保護、真隨機數生成器和可信執行環境等。

五、使用注意事項

5.1 靜電放電防護

CMOS器件容易受到靜電影響，應采取措施盡量減少靜電產生，如使用加濕器、避免使用易產生靜電的絕緣體，將半導體器件存儲和運輸在防靜電容器、靜電屏蔽袋或導電材料中，測試和測量工具及工作臺、地板應接地，操作人員應佩戴腕帶，避免用裸手觸摸半導體器件，對裝有半導體器件的印刷電路板也應采取類似防護措施。

5.2 上電處理

上電時產品狀態未定義，內部電路狀態不確定，寄存器設置和引腳狀態未定義。在施加外部復位信號的成品中，從上電到復位過程完成期間，引腳狀態無法保證；通過片上上電復位功能復位的產品，從上電到電源達到指定復位水平期間，引腳狀態也無法保證。

5.3 掉電狀態下信號輸入

掉電時不要輸入信號或I/O上拉電源，否則可能導致設備故障和內部元件損壞，應遵循產品文檔中關于掉電狀態下輸入信號的指導。

5.4 未使用引腳處理

應按照手冊中關于未使用引腳的處理說明進行操作，CMOS產品的輸入引腳通常處于高阻抗狀態，未使用引腳處于開路狀態時，可能會在LSI附近感應額外的電磁噪聲，導致內部產生直通電流，甚至因引腳狀態誤識別為輸入信號而發生故障。

5.5 時鐘信號處理

復位后，應在操作時鐘信號穩定后再釋放復位線；程序執行期間切換時鐘信號時，應等待目標時鐘信號穩定；使用外部諧振器或外部振蕩器生成時鐘信號時，在時鐘信號完全穩定后再釋放復位線。

5.6 輸入引腳電壓波形

輸入噪聲或反射波導致的波形失真可能引起故障，例如CMOS器件輸入因噪聲停留在(V{IL})（Max.）和(V{IH})（Min.）之間時，設備可能會出現故障。應注意防止輸入電平固定時的抖動噪聲進入設備，以及輸入電平在(V{IL})（Max.）和(V{IH})（Min.）之間過渡時的問題。

5.7 禁止訪問保留地址

保留地址用于未來功能擴展，訪問這些地址不能保證LSI的正確運行，應避免訪問。

5.8 產品差異

更換不同型號的產品時，應確認是否會出現問題。同一組但不同型號的微處理器或微控制器產品在內部內存容量、布局模式等方面可能存在差異，會影響電氣特性范圍，如特征值、工作裕度、抗噪聲能力和輻射噪聲量等，更換產品時應進行系統評估測試。

RZ/G2UL Group以其豐富的功能和出色的性能，為電子工程師在硬件設計中提供了強大的支持。但在使用過程中，必須嚴格遵循其電氣特性和使用注意事項，以確保產品的穩定性和可靠性。你在使用RZ/G2UL Group進行設計時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。