Atmel SAM7S系列ARM微控制器深度解析

一、引言

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域，微控制器的選擇至關(guān)重要。Atmel的SAM7S系列ARM微控制器憑借其高性能、低功耗以及豐富的外設(shè)功能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入剖析這款微控制器的特點(diǎn)、性能及應(yīng)用。

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二、SAM7S系列概述

SAM7S系列是基于32位ARM RISC處理器的低引腳數(shù)閃存微控制器。它集成了高速閃存和SRAM，擁有豐富的外設(shè)，如USB 2.0設(shè)備（除SAM7S32和SAM7S16外），還具備完整的系統(tǒng)功能，能最大程度減少外部組件的使用。對于尋求更高性能和更大內(nèi)存的8位微控制器用戶來說，SAM7S系列是理想的升級選擇。

2.1 不同型號配置差異

除SAM7S32/16外，其他SAM7S設(shè)備在封裝和引腳排列上是兼容的，這為工程師在不同型號之間進(jìn)行切換提供了便利。

三、硬件特性

3.1 處理器與架構(gòu)

• ARM7TDMI處理器：基于ARMv4T馮·諾依曼架構(gòu)的RISC處理器，最高運(yùn)行頻率可達(dá)55 MHz，每MHz能提供0.9 MIPS的性能。支持ARM?高性能32位指令集和Thumb?高代碼密度16位指令集，采用三級流水線架構(gòu)（指令獲取、指令解碼、執(zhí)行），能有效提高指令執(zhí)行效率。
• 調(diào)試與測試特性：集成了EmbeddedICE?（嵌入式在線仿真器），具備兩個觀察點(diǎn)單元，可通過JTAG協(xié)議訪問測試端口，支持調(diào)試通信通道。還擁有調(diào)試單元，包括雙引腳UART、調(diào)試通信通道中斷處理、芯片ID寄存器以及IEEE1149.1 JTAG邊界掃描功能，方便工程師進(jìn)行調(diào)試和測試。
• 內(nèi)存控制器：負(fù)責(zé)處理ARM7TDMI和外設(shè)DMA控制器的請求，通過地址解碼器為三個內(nèi)部1 Mbyte內(nèi)存區(qū)域和一個256 Mbyte嵌入式外設(shè)區(qū)域提供選擇信號。具備中止?fàn)顟B(tài)寄存器，可保存導(dǎo)致中止的訪問源、類型和所有參數(shù)，便于調(diào)試。還有未對齊檢測器，能對所有數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行對齊檢查，在未對齊時生成中止信號。支持重映射命令，可將SRAM重映射到嵌入式非易失性內(nèi)存的位置，方便處理動態(tài)異常向量。嵌入式閃存控制器提供高達(dá)三個可編程等待狀態(tài)的閃存接口，帶有預(yù)取緩沖區(qū)，能緩沖和預(yù)測16位請求，減少所需的等待狀態(tài)。
• 外設(shè)DMA控制器：負(fù)責(zé)處理外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。SAM7S512/256/128/64/321/161有11個通道，SAM7S32/16有9個通道。每個USART、調(diào)試單元、串行同步控制器、串行外設(shè)接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器都有對應(yīng)的通道。總線仲裁開銷低，從內(nèi)存到外設(shè)的傳輸只需一個主時鐘周期，從外設(shè)到內(nèi)存的傳輸需要兩個主時鐘周期。通過下一個指針管理可減少中斷延遲要求，各通道有不同的優(yōu)先級。

3.2 內(nèi)存

• 內(nèi)部SRAM：不同型號的SRAM大小不同，如SAM7S512和SAM7S256為64 Kbytes，SAM7S128為32 Kbytes，SAM7S64為16 Kbytes，SAM7S321/32為8 Kbytes，SAM7S161/16為4 Kbytes。復(fù)位后，SRAM在地址0x0020 0000處可訪問，執(zhí)行重映射命令后，也可在地址0x0處訪問。
• 內(nèi)部ROM：包含快速閃存編程接口（FFPI）和SAM - BA程序，但默認(rèn)情況下不進(jìn)行映射。
• 內(nèi)部閃存：不同型號的閃存容量和組織方式不同。例如，SAM7S512采用雙平面組織，有兩個連續(xù)的1024頁，每頁256字節(jié)；其他型號大多采用單平面組織。閃存具有快速訪問時間，在最壞情況下可實(shí)現(xiàn)30 MHz單周期訪問。頁編程時間為6 ms（包括頁自動擦除），無自動擦除時為3 ms，全芯片擦除時間為15 ms，具備10,000次寫周期和10年數(shù)據(jù)保留能力。部分區(qū)域可通過鎖定位進(jìn)行保護(hù)，還設(shè)有安全位，啟用后禁止通過ICE接口或快速閃存編程接口訪問閃存，確保代碼的保密性。

3.3 系統(tǒng)控制器

• 復(fù)位控制器：基于上電復(fù)位單元和欠壓檢測器，能給出最后一次復(fù)位的狀態(tài)，控制內(nèi)部復(fù)位和NRST引腳的開漏輸出，可對NRST線上的信號進(jìn)行整形，保證脈沖長度滿足要求。欠壓檢測器監(jiān)測VDDCORE電平，當(dāng)電壓低于觸發(fā)水平時激活欠壓輸出，高于觸發(fā)水平時釋放復(fù)位。欠壓檢測器閾值典型值為1.68V，精度為± 2%，具有約50 mV的遲滯，以確保無尖峰的欠壓檢測。
• 時鐘發(fā)生器：集成了低功耗RC振蕩器（頻率范圍22 kHz - 42 kHz）、主振蕩器（頻率范圍3 - 20 MHz，可旁路）和PLL（輸出范圍80 - 220 MHz），提供慢時鐘SLCK、主時鐘MAINCK和PLL時鐘PLLCK。
• 電源管理控制器：利用時鐘發(fā)生器的輸出提供處理器時鐘PCK、主時鐘MCK、USB時鐘UDPCK（SAM7S32/16無）以及所有外設(shè)時鐘，這些時鐘可獨(dú)立控制，還提供三個可編程時鐘輸出。主時鐘MCK可在幾百Hz到設(shè)備最大工作頻率之間進(jìn)行編程，處理器時鐘PCK在進(jìn)入處理器空閑模式時關(guān)閉，可降低功耗。
• 高級中斷控制器：控制ARM處理器的中斷線（nIRQ和nFIQ），中斷源可單獨(dú)屏蔽和向量處理。源0保留給快速中斷輸入（FIQ），源1保留給系統(tǒng)外設(shè)（如RTT、PIT、EFC、PMC、DBGU等），其他源控制外設(shè)中斷或外部中斷。支持可編程的邊沿觸發(fā)或電平敏感內(nèi)部源，以及可編程的正/負(fù)邊沿觸發(fā)或高/低電平敏感外部源，具有8級優(yōu)先級控制，可在處理低優(yōu)先級中斷時服務(wù)更高優(yōu)先級的中斷，采用向量處理優(yōu)化中斷服務(wù)程序的分支和執(zhí)行，還具備保護(hù)模式、快速強(qiáng)制功能和通用中斷屏蔽功能。
• 調(diào)試單元：包括雙引腳UART、調(diào)試通信通道（DCC）接口、芯片ID寄存器和ICE訪問預(yù)防接口。雙引腳UART的實(shí)現(xiàn)特性與USART兼容，具有可編程波特率發(fā)生器、奇偶校驗(yàn)、幀和溢出錯誤檢測、自動回顯、本地回環(huán)和遠(yuǎn)程回環(huán)通道模式。芯片ID寄存器可用于識別設(shè)備的修訂版、嵌入式內(nèi)存大小和外設(shè)集。
• 周期性間隔定時器：具有20位可編程計數(shù)器和12位間隔計數(shù)器。
• 看門狗定時器：12位密鑰保護(hù)的可編程計數(shù)器，運(yùn)行在預(yù)分頻的SCLK上，可向系統(tǒng)提供復(fù)位或中斷信號，在處理器處于調(diào)試狀態(tài)或空閑模式時計數(shù)器可停止。
• 實(shí)時定時器：32位自由運(yùn)行計數(shù)器，帶有警報功能，運(yùn)行在預(yù)分頻的SCLK上，具有可編程的16位預(yù)分頻器，用于補(bǔ)償SLCK的精度。
• PIO控制器：控制32個I/O線（SAM7S32/16為21個），可通過設(shè)置/清除寄存器進(jìn)行完全編程。每個I/O線可分配兩個外設(shè)功能之一，具備輸入變化中斷、半時鐘周期毛刺濾波器、多驅(qū)動選項（可驅(qū)動開漏）、可編程上拉電阻、引腳數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器和同步輸出功能。
• 電壓調(diào)節(jié)器控制器：用于選擇電壓調(diào)節(jié)器的電源模式，可在正常模式（位0清除）和待機(jī)模式（位0設(shè)置）之間切換。

3.4 外設(shè)

• 用戶接口：用戶外設(shè)映射在0xF000 0000到0xFFFF EFFF的256 MBytes地址空間中，每個外設(shè)分配16 Kbytes的地址空間。
• 外設(shè)標(biāo)識符：不同型號的外設(shè)標(biāo)識符有所不同，用于通過高級中斷控制器控制外設(shè)中斷和通過電源管理控制器控制外設(shè)時鐘。
• PIO控制器A復(fù)用：PIO控制器A控制I/O線的復(fù)用，每個線可分配兩個外設(shè)功能之一，部分還可與ADC控制器的模擬輸入復(fù)用。復(fù)位時，所有引腳的并行I/O線功能配置為輸入，并啟用可編程上拉電阻。
• 串行外設(shè)接口：支持與外部串行設(shè)備通信，通過四個芯片選擇和外部解碼器可與多達(dá)15個外設(shè)通信，可用于與串行存儲器（如DataFlash?和3線EEPROM）、串行外設(shè)（如ADC、DAC、LCD控制器、CAN控制器和傳感器）以及外部協(xié)處理器通信。支持8 - 16位可編程數(shù)據(jù)長度、可編程相位和極性、可編程傳輸延遲以及可選的模式故障檢測，最大頻率可達(dá)主時鐘頻率。
• 兩線接口：SAM7S512/256/128/64/321/32支持主模式，SAM7S161/16支持主、多主和從模式，從模式下支持通用調(diào)用。與I2C兼容設(shè)備兼容，具有一、二或三個字節(jié)的內(nèi)部地址寄存器，方便串行存儲器訪問，支持7位或10位從地址和順序讀寫操作。
• USART：具有可編程波特率發(fā)生器，支持5 - 9位全雙工同步或異步串行通信，在異步模式下支持1、1.5或2個停止位，同步模式下支持1或2個停止位，具備奇偶校驗(yàn)生成和錯誤檢測、幀錯誤檢測、溢出錯誤檢測、MSB或LSB優(yōu)先、可選的中斷生成和檢測、8或16倍過采樣接收器頻率、硬件握手（RTS - CTS）、調(diào)制解調(diào)器信號管理（DTR - DSR - DCD - RI，SAM7S32/16無）、接收器超時和發(fā)送器時間保護(hù)、多下降模式（帶地址生成和檢測）、RS485（帶驅(qū)動器控制信號）、ISO7816（T = 0或T = 1協(xié)議，用于與智能卡接口）、NACK處理、錯誤計數(shù)器（帶重復(fù)和迭代限制）、IrDA調(diào)制和解調(diào)，通信速率可達(dá)115.2 Kbps，還支持測試模式（遠(yuǎn)程回環(huán)、本地回環(huán)、自動回顯）。
• 串行同步控制器：提供用于音頻和電信應(yīng)用的串行同步通信鏈路，包含獨(dú)立的接收器和發(fā)送器以及公共時鐘分頻器，可配置幀同步和數(shù)據(jù)長度，接收器和發(fā)送器可編程為自動啟動或在檢測到幀同步信號的不同事件時啟動，包括數(shù)據(jù)信號、時鐘信號和幀同步信號。
• 定時器計數(shù)器：有三個16位定時器計數(shù)器通道（SAM7S32/16只有兩個通道連接到PIO），每個通道可進(jìn)行兩個輸出比較或一個輸入捕獲，具有頻率測量、事件計數(shù)、間隔測量、脈沖生成、延遲定時、脈沖寬度調(diào)制等功能，支持上下計數(shù)能力。每個通道有三個外部時鐘輸入（SAM7S32/16有一個）、五個內(nèi)部時鐘輸入，還有兩個多功能輸入/輸出信號和兩個作用于所有三個TC通道的全局寄存器。
• PWM控制器：有四個通道，每個通道有一個16位計數(shù)器，具有公共時鐘發(fā)生器，提供十三種不同的時鐘，一個模n計數(shù)器提供十一種時鐘，兩個獨(dú)立的線性分頻器作用于模n計數(shù)器輸出。各通道可獨(dú)立編程，具備獨(dú)立的啟用/禁用命令、時鐘選擇、周期和占空比（帶雙緩沖）、可編程的輸出波形極性和中心或左對齊輸出波形。
• USB設(shè)備端口（SAM7S32/16除外）：符合USB V2.0全速標(biāo)準(zhǔn)，速率為12 Mbits每秒，集成了USB V2.0全速收發(fā)器和328字節(jié)的雙端口RAM用于端點(diǎn)，有四個端點(diǎn)（端點(diǎn)0為8字節(jié)，端點(diǎn)1和2為64字節(jié)乒乓模式，端點(diǎn)3為64字節(jié)），支持等時和批量端點(diǎn)的乒乓模式以及暫停/恢復(fù)邏輯。
• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：8通道ADC，10位時采樣率為384 Ksamples/秒，8位時采樣率為583 Ksamples/秒，采用逐次逼近寄存器ADC，積分非線性為±2 LSB，差分非線性為±1 LSB，集成8 - 1多路復(fù)用器，提供八個獨(dú)立的3.3V模擬輸入，可使用外部電壓參考以提高低電壓輸入的精度，每個通道可單獨(dú)啟用和禁用，具有多個觸發(fā)源（硬件或軟件觸發(fā)、外部觸發(fā)引腳、定時器計數(shù)器0 - 2的輸出TIOA0 - TIOA2觸發(fā)），支持睡眠模式和轉(zhuǎn)換序列器，觸發(fā)時自動喚醒，所有啟用通道轉(zhuǎn)換完成后返回睡眠模式，八個模擬輸入中有四個與數(shù)字信號共享。

四、電源考慮

4.1 電源供應(yīng)

SAM7S系列有六種類型的電源供應(yīng)引腳，并集成了電壓調(diào)節(jié)器，允許僅用一個電壓為設(shè)備供電。具體如下：

• VDDIN引腳：為電壓調(diào)節(jié)器和ADC供電，電壓范圍為3.0V - 3.6V，標(biāo)稱值為3.3V。
• VDDOUT引腳：是1.8V電壓調(diào)節(jié)器的輸出。
• VDDIO引腳：為I/O線和USB收發(fā)器供電，支持雙電壓范圍，3.0V - 3.6V（標(biāo)稱3.3V）或1.65V - 1.95V（標(biāo)稱1.8V）。若VDDIO供電低于3.0V，則無法使用USB收發(fā)器。
• VDDFLASH引腳：為閃存的一部分供電，是閃存正常工作所必需的，電壓范圍為3.0V - 3.6V，標(biāo)稱值為3.3V。
• VDDCORE引腳：為設(shè)備的邏輯部分供電，電壓范圍為1.65V - 1.95V，典型值為1.8V，可通過去耦電容連接到VDDOUT引腳。啟動時，核心電源電壓（VDDCORE）斜率必須大于或等于6V/ms。
• VDDPLL引腳：為振蕩器和PLL供電，可直接連接到VDDOUT引腳。

不同電源供應(yīng)沒有單獨(dú)的接地引腳，只有GND引腳，應(yīng)盡可能短地連接到系統(tǒng)接地平面。若不使用電壓調(diào)節(jié)器和ADC，可將VDDIN、ADVREF、AD4、AD5、AD6和AD7連接到GND，此時VDDOUT應(yīng)保持未連接狀態(tài)。

4.2 功耗

在25°C時，VDDCORE上的靜態(tài)電流小于60 μA，包括RC振蕩器、電壓調(diào)節(jié)器和上電復(fù)位。激活欠壓檢測器時，會增加20 μA的靜態(tài)電流。在全速運(yùn)行閃存時，VDDCORE上的動態(tài)功耗小于50 mA，