Freescale K60系列MCU：高性能與低功耗的完美結合

在嵌入式系統設計領域，選擇一款合適的微控制器（MCU）至關重要。Freescale的K60系列MCU憑借其卓越的性能、豐富的功能和低功耗特性，成為眾多工程師的首選。本文將深入介紹K60系列MCU的特點、功能以及開發環境，幫助工程師更好地了解和應用這款產品。

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一、Kinetis產品組合概述

Kinetis是業內最具可擴展性的低功耗、混合信號ARM? Cortex? - M4 MCU產品組合。該組合的第一階段包括五個MCU家族，擁有超過200種引腳、外設和軟件兼容的設備。每個家族都提供出色的性能、內存和功能擴展性，具有通用的外設、內存映射和封裝，便于在家族內部和家族之間進行輕松遷移。

Kinetis MCU采用了Freescale創新的90nm薄膜存儲（TFS）閃存技術和獨特的FlexMemory。它結合了最新的低功耗創新技術、高性能和高精度混合信號能力，以及廣泛的連接性、人機界面和安全外設。同時，Kinetis MCU得到了Freescale市場領先的支持包以及眾多ARM第三方生態系統合作伙伴的支持。

二、K60家族介紹

K60 MCU家族具有IEEE 1588以太網、全速和高速USB 2.0 On - The - Go以及設備充電器檢測功能、硬件加密和篡改檢測功能。設備的閃存容量從100LQFP封裝的256 KB開始，最高可達256MAPBGA封裝的1 MB，并配備了豐富的模擬、通信、定時和控制外設。高內存密度的K60家族設備還包括可選的單精度浮點單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。

三、K60模塊特性

（一）核心模塊

1. ARM Cortex - M4 Core：支持高達150 MHz的頻率，每兆赫茲可提供1.25 DMIPS的性能?；贏RMv7架構和Thumb? - 2 ISA，采用哈佛總線架構和3級流水線，集成了數字信號處理器（DSP）、可配置的嵌套向量中斷控制器（NVIC）以及先進的可配置調試和跟蹤組件，還可選配單精度浮點單元（SPFPU）。
2. NVIC：與Cortex - M4核心的哈佛架構緊密耦合，可實現低延遲中斷處理。支持多達120個中斷源，包括一個不可屏蔽中斷，具有16級優先級，每個中斷源可動態配置，支持中斷嵌套，向量表可重定位。
3. WIC：支持在低功耗模式下系統時鐘禁用時的中斷處理。在進入深度睡眠模式時，由NVIC正確初始化后，可接管并模擬NVIC的行為。它具有基本的中斷屏蔽系統，無優先級邏輯，一旦檢測到未屏蔽的中斷就會觸發喚醒信號。
4. Debug Controller：包括串行線JTAG調試端口（SWJ - DP），結合了標準JTAG或cJTAG接口和串行線雙向調試接口。還具備調試觀察點和跟蹤（DWT）、儀器跟蹤宏單元（ITM）、嵌入式跟蹤宏單元（ETM）、CoreSight?嵌入式跟蹤緩沖區（ETB）、測試端口接口單元（TPIU）以及閃存補丁和斷點（FPB）等功能。

（二）系統模塊

1. PMC：提供獨立的數字（調節）和模擬（參考數字）電源輸出，支持可編程節能模式，無需輸出電源去耦電容?？赏ㄟ^RTC和外部輸入從節能模式喚醒，集成了上電復位（POR）、低壓檢測（LVD）、可編程低壓警告（LVW）中斷功能、緩沖帶隙參考電壓輸出以及工廠編程的帶隙和LVD校準。
2. DMA MUX：具有16個獨立可選的DMA通道路由器和4個周期性觸發源，每個通道路由器可分配到64個可能的外設DMA源之一。
3. DMA Controller：最多支持32個完全可編程通道，具有32字節的傳輸控制描述符。支持8位、16位、32位和128位數據值的雙地址傳輸，可編程源、目標地址、傳輸大小，支持增強地址模式，支持主、次嵌套計數器，每個通道有一個請求和一個中斷，支持通道間鏈接和分散/聚集功能，采用固定優先級和輪詢通道仲裁。
4. WDOG：具有獨立的、可配置的時鐘源輸入，寫一次控制位需解鎖序列，可編程超時周期，可測試看門狗定時器和復位，支持窗口刷新選項，具有強大的刷新機制，可累計上電復位之間的看門狗復位次數，可配置超時中斷。
5. EWM：使用獨立的1 kHz LPO時鐘源，輸出信號用于控制外部電路，由CPU服務或外部輸入控制。
6. System Clocks：包括頻率鎖定環（FLL）、數字控制振蕩器（DCO）、鎖相環（PLL）、內部或外部參考時鐘、晶體振蕩器（XOSC）等，提供多種時鐘源選項，具有自動校準功能，可滿足不同外設的時鐘需求。

（三）存儲器和存儲器接口

1. On - Chip Memory：不同性能的設備具有不同的內存配置。100MHz性能設備最高可配備512KB程序閃存、256KB FlexNVM、4KB FlexRAM和128KB SRAM；120MHz和150MHz性能設備最高可配備1024KB程序閃存、512KB FlexNVM、16KB FlexRAM、16KB緩存和128KB SRAM，同時具備安全電路防止對RAM和閃存內容的未授權訪問。
2. FlexBus：具有六個獨立的、用戶可編程的片選信號，可與外部SRAM、PROM、EPROM、EEPROM、閃存和其他外設接口。支持高達2 GB的可尋址空間，具有8位、16位和32位端口大小，支持復用或非復用地址和數據總線，支持字節、字、長字和16字節行大小的傳輸，可編程地址建立時間和保持時間。
3. EzPort：與行業標準SPI閃存存儲器使用相同的串行接口和部分命令集，可讀取、擦除和編程閃存存儲器，具有復位命令，可在閃存編程后啟動系統。
4. DDR Controller：支持與LPDDR、DDR和DDR2 DRAM設備的無縫接口，支持16位固定內存端口寬度，16字節關鍵字優先突發傳輸，最多支持16行地址、16列地址線、2位銀行地址和兩個片選，支持高達256 MByte的內存，支持頁面模式和睡眠模式、自刷新模式。
5. NAND Flash Controller：具有8位和16位NAND閃存接口、9 KB RAM緩沖區，支持所有NAND閃存產品，支持閃存設備命令，集成DMA引擎和兩個可配置的DMA通道，可選ECC模式支持4/6/8/12/16/24/32位錯誤糾正，可從頁面大小≥2KB的閃存（x8）啟動，無需額外控制。

（四）安全和完整性

1. CRC：使用16/32位移位寄存器的硬件CRC生成電路，用戶可配置16/32位CRC，可編程生成多項式，可檢測所有單、雙、奇數和大多數多位錯誤，可編程初始種子值，高速CRC計算，可選通過轉置寄存器轉置輸入數據和CRC結果。
2. CAU：支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256算法，提供由Freescale優化的安全函數的簡單C調用。
3. RNG：支持數字簽名標準中定義的密鑰生成算法，集成熵源可為PRNG提供種子熵。
4. Tamper Detect：包括模擬篡改檢測（電壓、溫度和時鐘）、外部篡改檢測、有源線網篡改檢測、內部篡改檢測（閃存安全和安全SRAM），具有寄存器鎖定、篡改啟用和模擬校準配置位，安全RTC支持自動補償，具有32位單調計數器、256位安全存儲（篡改檢測時異步擦除）、32 - 256位通用存儲（不擦除），以及單備份電源、電壓監測、溫度監測和時鐘監測功能。

（五）模擬模塊

1. ADC：采用線性逐次逼近算法，最高可達16位分辨率，支持差分和單端輸出模式，可進行單或連續轉換，可配置采樣時間和轉換速度/功率，具有轉換完成和硬件平均完成標志及中斷，輸入時鐘可從多達四個源中選擇，可在低功耗模式下運行以降低噪聲，支持異步時鐘源和異步硬件轉換觸發，具有自動比較和中斷功能、溫度傳感器、硬件平均功能、可選電壓參考和自校準模式。
2. CMP：具有6位DAC可編程參考發生器輸出，最多可選擇八個比較器輸入，可選擇上升沿、下降沿或兩者的中斷，輸出支持采樣、窗口模式和數字濾波，具有兩種性能模式，可在所有MCU功率模式下運行。
3. DAC：具有12位分辨率，保證輸入字的6 - sigma單調性，支持高速和低速轉換，具有掉電模式，可選擇異步或同步更新，自動模式可生成方波、三角波和鋸齒波等輸出波形，支持DMA，具有可配置的水印級別。
4. VREF：具有可編程校準寄存器，步長為0.5mV，復位時自動加載室溫值，支持可編程模式選擇，室溫下輸出1.2V，具有專用輸出引腳。

（六）定時器模塊

1. PDB：具有多達15個觸發輸入源和軟件觸發源，最多可配置八個PDB通道用于ADC硬件觸發，每個PDB通道有一個觸發輸出和最多八個預觸發輸出，觸發輸出可獨立啟用或禁用，每個預觸發輸出有一個16位延遲寄存器，支持旁路延遲寄存器，可在單次或連續模式下運行，支持背靠背模式，具有可編程延遲中斷和序列錯誤中斷，支持DMA，最多可提供八個DAC間隔觸發。
2. FTM：可選擇FTM源時鐘，可編程預分頻器，16位計數器支持自由運行或初始/最終值，可向上或上下計數，支持輸入捕獲、輸出比較、邊緣對齊和中心對齊PWM模式，支持FTM通道成對或獨立操作，可插入死區時間，可生成硬件觸發，支持軟件控制PWM輸出，最多有4個故障輸入用于全局故障控制，可編程通道極性，可配置輸入捕獲、參考比較、計數器溢出或檢測到故障條件時的中斷，支持正交解碼器，支持FTM事件的DMA，支持全局時基模式。
3. PIT：最多可提供4個通用中斷定時器和4個用于觸發ADC轉換的中斷定時器，32位計數器分辨率，由系統時鐘頻率驅動，支持DMA。
4. Low Power Timer：可作為定時器或脈沖計數器，可選擇預分頻器/毛刺濾波器的時鐘，支持1 kHz內部LPO、外部低功耗晶體振蕩器、內部參考時鐘（低泄漏功率模式下不可用）和二次外部參考時鐘（如32 kHz晶體），可配置毛刺濾波器或預分頻器，定時器比較時可生成中斷和硬件觸發。
5. CMT：具有四種操作模式，可獨立控制高和低時間，支持基帶、頻移鍵控（FSK）模式，可直接軟件控制CMT_IRO信號，在時間、基帶和FSK模式下支持擴展空間操作，可選擇輸入時鐘分頻器，周期結束時可產生中斷，可禁用CMT_IRO信號并用作定時器中斷。
6. RTC：具有獨立的電源、POR和32 kHz晶體振蕩器，32位秒計數器和32位鬧鐘，檢測到篡改時可使計數器無效，具有16位預分頻器和補償功能，寄存器寫保護，硬鎖需要VBAT POR才能啟用寫訪問，軟鎖需要系統復位才能啟用讀寫訪問。

（七）通信接口模塊

1. Ethernet MAC：具有10/100 BaseT/TX能力，支持半雙工或全雙工，硬件支持IEEE 1588標準，支持媒體獨立接口（MII）和簡化媒體獨立接口（RMII），內置統一DMA，片上收發FIFO，支持傳統緩沖區描述符編程模型和功能，支持新以太網功能的增強緩沖區描述符編程模型，支持通過魔術包從低功耗模式喚醒，提供多種時鐘源選項用于時間戳時鐘。
2. USB On - The - Go Module (FS/LS)：符合USB 2.0規范，支持USB主機模式和設備模式，支持增強主機控制器接口（EHCI），可直接連接FS/LS設備，無需OHCI/UHCI配套控制器，受Linux和其他商用操作系統支持，支持一個上游端口和四個可編程雙向USB端點，支持暫停模式和遠程喚醒，集成了處理器的低功耗模式，包括片上全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）收發器。
3. USBDCD：與多種電源系統兼容，包括可充電電池、不可充電電池、外部3.3v LDO調節器和直接從USB供電，具有可編程事件定時器，符合最新的USB電池充電規范1.1版。
4. USB Voltage Regulator：5V調節器輸入通常由USB VBUS電源提供，3.3V調節輸出為片上USB收發器供電，輸出引腳可用于為外部板組件供電，最大可提供120mA電流，消除了外部LDO的成本，3.3V調節輸出可為主電源供電。
5. USB On - The - Go Module (HS/FS/LS)：符合USB 2.0規范，支持USB主機模式和設備模式，支持EHCI，通過外部ULPI收發器實現HS/FS/LS操作，受Linux和其他商用操作系統支持，支持一個上游端口和四個可編程雙向USB端點，支持暫停模式和遠程喚醒，集成了處理器的低功耗模式，支持片外HS/FS/LS收發器，外部ULPI收發器支持主機模式下的高速（480 Mbps）、全速和低速操作，以及設備模式下的高速和全速操作，接口使用8位單數據速率ULPI數據總線，ULPI PHY為處理器提供60 MHz USB參考時鐘輸入。
6. CAN Module：支持CAN規范版本2.0 Part B的完整實現，支持標準和擴展數據及遠程幀，數據長度為0 - 8字節，可編程比特率高達1 Mbit/sec，支持內容相關尋址，具有靈活的消息緩沖區，最多可配置16個消息緩沖區，支持監聽模式，每個消息緩沖區有獨立的掩碼寄存器，可編程發送優先方案，基于16位自由運行定時器的時間戳，支持全局網絡時間同步。
7. SPI：支持主從模式，全雙工、三線同步傳輸，可編程傳輸比特率，雙緩沖發送和接收數據寄存器，支持串行時鐘相位和極性選項，有從選擇輸出，具有模式故障錯誤標志和CPU中斷能力，可控制等待模式下的SPI操作，可選擇MSB - first或LSB - first移位，可編程8位或16位數據傳輸長度，接收數據緩沖區硬件匹配功能，支持64位FIFO模式用于高速大量數據傳輸，支持DMA收發。
8. I2C：與I2C總線標準和SMBus規范版本2功能兼容，最高支持100 kbps的總線負載，支持多主操作，軟件可編程64種不同的串行時鐘頻率，可編程從地址和毛刺輸入濾波器，支持中斷或DMA驅動的逐字節數據傳輸，仲裁丟失時可自動從主模式切換到從模式，具有調用地址識別中斷、總線忙檢測廣播和10位地址擴展功能，處理器處于低功耗模式時，地址匹配可喚醒。
9. UART：支持ISO 7816協議用于與智能卡接口，全雙工操作，標準NRZ格式，13位波特率選擇，可編程8位或9位數據格式，獨立啟用發送器和接收器，可編程發送器輸出極性和接收器輸入極性，支持13位和11位中斷字符選項，支持參數化緩沖區，獨立的發送和接收FIFO結構，支持空閑線喚醒和地址標記喚醒兩種接收器喚醒方法，接收器具有地址匹配功能以減少地址標記喚醒ISR開銷，支持中斷或DMA驅動操作，支持接收器幀錯誤檢測、硬件奇偶校驗生成和檢查以及1/16位時間噪聲檢測。
10. SDHC：與多種存儲卡規范兼容，包括SD主機控制器標準規范2.0、MultiMediaCard系統規范4.2、SD存儲卡規范2.0、SDIO卡規范2.0和CE - ATA卡規范1.0，支持1/4/8位SD和SDIO模式、1/4/8位MMC模式和1/4/8位CE - ATA設備，SD總線時鐘頻率最高可達50 MHz，支持單塊和多塊讀寫，塊大小為1 - 4096字節，支持寫保護開關，支持同步和異步中止、數據傳輸間隙暫停、SDIO讀等待和暫停/恢復操作，支持自動CMD12用于多塊傳輸，主機可在數據傳輸時發起非數據傳輸命令，允許卡以1和4位SDIO模式中斷主機，支持SDIO標準定義的中斷周期，具有128 x 32位可配置FIFO用于讀寫數據，具有內部DMA能力，支持通過配置供應商特定寄存器位選擇電壓，支持高級DMA進行鏈接內存訪問。
11. I2S：具有獨立（異步）或共享（同步）的發送和接收部分，可使用獨立或共享的內部/外部時鐘和幀同步，支持主從模式，用于音頻支持，支持正常模式和網絡模式，可編程數據接口模式，如I2S、LSB對齊和MSB對齊，可編程字長（8、10、12、16、18、20、22或24位），支持AC97。

（八）人機界面模塊

1. GPIO：所有輸入引腳可編程毛刺濾波器和中斷，具有可選極性，所有輸入引腳具有滯后和可配置的上拉/下拉設備