Atmel SAM D21系列微控制器：低功耗高性能之選

在電子設計的領域中，選擇合適的微控制器對于項目的成功至關重要。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。它的引腳數量從32到64不等，擁有高達256KB的閃存和32KB的SRAM。該系列設備的最高運行頻率可達48MHz，每兆赫茲能達到2.14 Coremark。其設計便于產品系列內各設備之間的遷移，具有相同的外設模塊、十六進制兼容代碼、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最高運行頻率可達48MHz，具備單周期硬件乘法器和微跟蹤緩沖區，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。

（二）存儲器

• 閃存：提供32/64/128/256KB的系統內自編程閃存，滿足不同項目對存儲容量的需求。
• SRAM：有4/8/16/32KB的SRAM可供選擇，為程序運行和數據處理提供充足的空間。

（三）系統

• 電源管理：具備上電復位（POR）和欠壓檢測（BOD）功能，保障系統在不同電源條件下的穩定運行。
• 時鐘選項：提供內部和外部時鐘選項，包括48MHz數字鎖頻環（DFLL48M）和48MHz至96MHz分數數字鎖相環（FDPLL96M），可靈活配置系統時鐘。
• 中斷控制：外部中斷控制器（EIC）支持16個外部中斷和1個不可屏蔽中斷，還配備兩線串行線調試（SWD）編程、測試和調試接口，方便開發和調試。

（四）低功耗設計

• 睡眠模式：擁有空閑和待機兩種軟件可選睡眠模式。空閑模式下CPU停止運行，其他功能可繼續保持；待機模式下除選定繼續運行的功能外，所有時鐘和功能都停止。
• SleepWalking功能：允許外設根據預定義條件從睡眠中喚醒，使CPU僅在需要時喚醒，有效降低功耗。

（五）外設

• DMA控制器：12通道直接內存訪問控制器（DMAC），可實現數據的高效傳輸。
• 事件系統：12通道事件系統，支持同步和異步事件，即使在待機模式下，外設也能接收、響應和發送事件。
• 定時器/計數器：多達五個16位定時器/計數器（TC）和三個24位控制用定時器/計數器（TCC），TC可配置為不同模式，TCC具有擴展功能，如生成同步脈沖寬度調制（PWM）模式、確定性故障保護等。
• 通信接口：一個全速（12Mbps）通用串行總線（USB）2.0接口，支持嵌入式主機和設備功能；多達六個串行通信接口（SERCOM），可配置為USART、I2C、SPI、LIN從機等；一個兩通道I2S接口。
• 模擬外設：一個12位、350ksps的模數轉換器（ADC），最多20個通道，支持差分和單端輸入，具備可編程增益、自動偏移和增益誤差補償等功能；一個10位、350ksps的數模轉換器（DAC）；兩個帶窗口比較功能的模擬比較器（AC）。
• 觸摸控制器：外設觸摸控制器（PTC）支持256通道電容式觸摸和接近感應。

（六）I/O

• 最多52個可編程I/O引腳，并且與SAM D20引腳兼容，方便進行升級和替換。

（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，可根據實際需求選擇。

（八）工作電壓

工作電壓范圍為1.62V - 3.63V，適應不同的電源環境。

三、產品配置

SAM D21系列包括SAM D21J、SAM D21G和SAM D21E三種型號，它們在引腳數量、通用I/O引腳數量、閃存和SRAM容量、定時器/計數器實例等方面存在差異，工程師可以根據具體項目需求進行選擇。

四、訂購信息

不同型號的SAM D21微控制器有多種訂購代碼可供選擇，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。

五、引腳配置與復用

（一）引腳復用

每個引腳默認由PORT作為通用I/O控制，也可分配給外設功能A - H。要啟用引腳上的外設功能，需將PORT中對應引腳配置寄存器的外設復用使能位（PINCFGn.PMUXEN）置為1，并通過PORT中外設復用寄存器（PMUXn.PMUXE/O）選擇外設功能。

（二）特殊引腳

• 振蕩器引腳：振蕩器的復用由系統控制器（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。
• 串行線調試接口引腳：只有SWCLK引腳映射到正常PORT功能，調試器的冷插拔或熱插拔檢測會自動將SWDIO端口切換到SWDIO功能，SWCLK引腳為PA30，SWDIO引腳為PA31。

六、電源供應與啟動考慮

（一）電源域概述

SAM D21有多個不同的電源供應引腳，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為內部穩壓輸出，電壓為1.2V。

（二）電壓調節器

SAM D21的電壓調節器有正常模式和低功耗（LP）模式。正常模式用于CPU和外設運行時；低功耗模式用于調節器靜態電流較小時，可在待機模式下使用。

（三）上電序列

• 時鐘啟動：上電后，設備進入初始狀態并保持復位，直到電源穩定。之后使用1MHz時鐘，該時鐘由8MHz內部振蕩器（OSC8M）分頻得到，作為通用時鐘發生器0的時鐘源，通用時鐘發生器0是電源管理器（PM）的主時鐘。
• I/O引腳：上電后，I/O引腳處于三態。
• 初始指令獲取：復位釋放后，CPU從復位地址（0x00000000）獲取PC和SP值，該地址指向內部閃存中的第一個可執行地址，代碼可自由配置時鐘系統和時鐘源。

（四）上電復位和欠壓檢測

• POR：監控VDDANA，始終激活，在啟動和所有睡眠模式下監控電壓，若VDDANA低于閾值電壓，整個芯片將復位。
• BOD33：監控VDDANA。
• BOD12：設備啟動后，監控內部VDDCORE，其校準配置存儲在NVM用戶行中，用戶行寫入時不應更改該配置，以確保BOD12的正確行為。

七、存儲器

（一）嵌入式存儲器

包括內部高速閃存和內部高速RAM，可實現全速單周期訪問。

（二）物理內存映射

32位物理地址空間的映射固定，不同型號的閃存和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用戶行包含校準數據，上電時自動讀取，可在地址0x804000讀取，寫入時需參考“NVMCTRL – 非易失性存儲器控制器”。

（四）NVM軟件校準區域映射

該區域包含生產測試期間測量和寫入的校準數據，可在地址0x806020讀取，但不可寫入，應用程序軟件應讀取這些校準值并寫回相應寄存器。

（五）序列號

每個設備都有一個唯一的128位序列號，由四個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、低功耗設計和良好的兼容性，為電子工程師提供了一個強大而靈活的解決方案。在實際應用中，工程師可以根據項目的具體需求，充分發揮其優勢，實現高效、穩定的系統設計。你在使用微控制器時，更看重哪些特性呢？歡迎在評論區分享你的觀點。