RZ/G3E 芯片：功能、特性与设计要点深度解析

在当今科技飞速发展的时代，芯片作为电子设备的核心，其性能和功能直接影响着产品的竞争力。RZ/G3E 芯片以其卓越的性能和丰富的功能，在众多应用领域中展现出巨大的潜力。本文将对 RZ/G3E 芯片进行全面深入的剖析，为电子工程师在设计过程中提供有价值的参考。

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一、芯片概述

RZ/G3E 芯片集成了多种强大的功能模块，为各类应用提供了全面的解决方案。其主要特性包括：

1. 强大的 CPU 组合：配备了四核 64 位 Arm® Cortex® - A55 处理器，最高主频可达 1.8 GHz，适用于复杂的应用处理；同时还有 32 位 Arm® Cortex® - M33 处理器，主频最高 200 MHz，负责系统管理。这种组合使得芯片在处理不同任务时能够高效协作，发挥出最佳性能。
2. 丰富的接口支持：具备多种接口，如 MIPI CSI - 2（1 通道，可选择 1、2 或 4 lanes）用于相机数据传输，MIPI DSI（1 通道，可选择 1、2 或 4 lanes）、Parallel interface（1 通道）、LVDS（2 通道）等用于显示接口，满足了不同显示设备的连接需求。此外，还支持多种通信、存储和网络接口，如 Ethernet（2 通道）、USB2.0（1 通道 Host/Function，1 通道 Host - only）、USB3.2 Gen2（1 通道 Host - only）、PCIE Gen3（1 通道，2 lanes）等，方便与各种外部设备进行通信。
3. 可选的 NPU 模块：提供了 Arm® Ethos - U55（1 GHz）的 NPU 模块（可选），能够实现高效的神经网络处理，为人工智能应用提供了强大的支持。
4. 视频和图形处理能力：集成了 H.264/H.265 视频编解码单元（VCD）、3D 图形引擎 Arm® Mali - G52、图像缩放单元（VSP）和帧数据处理器（FDP），能够实现高质量的视频和图形处理。

二、详细规格

2.1 CPU 规格

• Cortex - A55：四核设计，主频可达 1.8 GHz（0.9 V）或 1.1 GHz（0.8 V）。每个核心配备 32 Kbytes 的 L1 I - cache（带奇偶校验）和 32 Kbytes 的 D - cache（带 ECC），L2 缓存为 0 Kbyte，L3 缓存为 1 Mbyte（带 ECC）。支持 MMU、Neon™ 和 FPU，具备加密扩展功能，采用 Armv8 - A 架构。
• Cortex - M33：主频 200 MHz，支持 FPU、DSP 扩展和安全扩展，采用 Armv8 - M 架构。同时，支持 Arm® CoreSight® 架构，具备 JTAG 和 SWD 接口，总共有 60 Kbytes 用于程序流跟踪，并且支持 JTAG 禁用选项。

2.2 启动模式

可从 Arm Cortex - A55 或 Arm Cortex - M33 中选择启动 CPU。CA55 有多种启动模式可供选择，如从 eSD、eMMC（3.3 V 或 1.8 V）、串行闪存（xSPI 总线）、SCIF 下载、USB 下载等；CM33 也有部分启动模式，如从串行闪存（xSPI 总线）、SCIF 下载等。

2.3 NPU 规格

可选的 Arm Ethos - U55 NPU，主频 1.0 GHz，具有 256 MAC 和 0.5 TOPS 的计算能力，能够高效处理神经网络任务。

2.4 图形单元规格

3D 图形引擎 Arm Mali - G52，主频 630 MHz，配备 64 Kbytes 的 L2 缓存，支持 Vulkan 1.2、OpenGL ES™ 1.1、2.0 和 3.2 以及 OpenCL 2.0 全轮廓，能够实现高质量的图形渲染。

2.5 视频处理单元规格

• 视频编解码单元（VCD）：支持 H.264/H.265 视频编解码，H.264 最高支持 1920 × 1080 × 60 fps，H.265 最高支持 3840 × 2160p × 30 fps。支持 I - /P - slice 编码和 I - /P - /B - slice 解码。
• 帧数据处理器（FDP）：1 通道 Tile - Linear 转换，输出性能可达 500 Mpix/s，支持多种图像格式，输入和输出图像尺寸最大可达 3840 × 2160，不支持隔行格式。
• 视频信号处理器（VSP）：具备缩放功能，支持各种数据格式和转换，如颜色空间转换、颜色键控、像素 alpha 和全局 alpha 组合、预乘 alpha 生成等，还支持图像旋转/反转和图像质量/颜色校正。

2.6 内存接口规格

• 片上 SRAM：共享 512 - Kbyte 的片上 SRAM，带 ECC 功能。
• 外部 DDR 内存接口：1 通道内存控制器，支持 LPDDR4 - 3200 或 LPDDR4X - 3200，总线宽度为 32 位，支持单 rank 和双 rank 内存，最大支持 8 GBytes（15 mm PKG 双 rank）。
• xSPI 接口：1 通道，支持 xSPI 协议，有多种协议模式和数据传输方式，支持 XiP 模式，最大支持 256 - Mbyte 地址空间。
• SDHI 接口：支持 eMMC/SD（1 - 、4 - 、8 - bit 总线宽度）。

2.7 CPU 外设规格

• 时钟脉冲发生器（CPG）：能够从外部时钟或外部谐振器（24 MHz）生成时钟，支持多种时钟频率，如 Arm Cortex - A55 最高 1.8 GHz、Cortex - M33 最高 200 MHz 等，还支持 SSC（Spread Spectrum Clock）。
• 直接内存访问控制器（DMAC）：80 通道，支持多种传输模式，如单传输模式、块传输模式和 LINK 模式，传输大小可选择 1、2、4、8、16、32、64 或 128 字节，可通过软件触发、外部 DMA 请求（DREQ）和外设中断请求进行传输。
• 中断控制器：Arm CoreLink™ 通用中断控制器（GIC - 600）用于 Arm Cortex - A55（32 优先级级别），嵌套向量中断控制器（NVIC）用于 Arm Cortex - M33，支持外部中断和片上外设中断。
• 事件链接控制器（ELC）：最多可将 455 个事件信号与模块操作进行链接，可通过输入事件信号启动定时器模块的操作。
• 错误控制器：能够捕获和合并 CPU 和外设的错误事件，并分别为 Arm Cortex - A55 和 Arm Cortex - M33 生成中断，可通过错误事件生成系统复位。
• 消息处理单元（MHU）：实现 Arm Cortex - A55 和 Arm Cortex - M33 之间的消息处理功能，通过断言中断通知消息和响应。
• 通用 I/O（GPIO）：141 个通用 I/O 端口。

2.8 相机接口规格

MIPI CSI - 2 接口，支持 1、2 或 4 lanes，最大带宽为 2.1 Gbps 每 lane，支持多种输入数据格式，如 YUV422 8 位或 10 位、RGB444、RGB555、RGB565、RGB666、RGB888、RAW6 - RAW20 等，还支持通用长数据包数据类型和用户定义的 8 位数据类型。

2.9 显示接口规格

可从 MIPI DSI（1/2/4 - Lane）接口、1 个并行接口和 2 个 LVDS 接口中选择 2 个显示接口。支持多种分辨率和帧率，如 MIPI DSI 支持 1920x1200，60 fps（RGB888），并行接口支持 WXGA（1280x800），60 fps，LVDS 接口支持多种分辨率，如 RGB888 640x480（VGA）、RGB888 800x480（QVGA）、RGB888 1366x768 60 Hz（WXGA）等。

2.10 存储和网络接口规格

• USB3.2 Host：1 通道，符合 USB3.2 Gen2 标准，最大速率为 10 Gbps。
• USB2.0 Host/Function：2 通道（1 通道 Host/Function，1 通道 Host - only），符合 USB2.0 标准，支持 On - The - Go（OTG）功能，支持多种传输类型。
• PCI Express 3.0：1 通道，可选择 PCle Gen3 Root complex 或 Endpoint，2 lanes。
• 千兆以太网接口（GBETH）：2 通道，符合 IEEE802.3、IEEE802.1Qav、IEEE802.1Qat、IEEE802.1AS 和 IEEE1588 - 2008 标准，支持 10BASE、100BASE、1000BASE，支持全双工和半双工，支持 RGMI/MII 接口。
• CANFD 接口（RS - CANFD）：6 通道，符合 CAN - FD ISO 11898 - 1（2015）标准，支持最高 8 MHz 的有效载荷传输，每个通道有 64 个发送消息缓冲区和 256 个共享的 RXMB 和 FIFO 缓冲区。

2.11 外设模块规格

• I3C 总线接口：1 通道，支持 1.2 V 和 1.8 V，可选择主模式或从模式，支持多主模式，符合 MIPI I3C v1.0 和 I3C Basic v1.0 标准，但不支持部分功能，如桥接设备和异步定时控制 async 模式 2&3，支持 DMAC 和事件链接。
• Renesas 串行通信接口（RSCI）：10 通道，支持 6 种通信模式，如异步接口、8 位时钟同步接口、简单 IIC（主模式）、简单 SPI、智能卡接口、简单 LIN（扩展 SCIX 模式）等，具备 32 级 FIFO 寄存器，支持 DMAC 和事件链接，支持 CRC 计算。
• Renesas 串行外设接口（RSPI）：3 通道，支持 SPI 传输，可作为主设备或从设备进行串行传输，支持多种数据格式和传输位数，具备 32 位 x 16 级缓冲区用于传输和接收，支持 DMAC 和事件链接，支持 CRC 计算。
• CRC 计算器：1 通道，可生成 8 - 、16 - 或 32 - 位单位的 CRC 代码，可选择四种生成多项式。
• 串行通信接口（SCIF）：1 通道，支持异步模式，具备专用的波特率发生器，支持全双工通信，有独立的 16 字节 FIFO 寄存器用于传输和接收。

2.12 定时器规格

• 通用 PWM 定时器（GPT）：32 位 x 16 通道，支持计数向上或向下、三角波计数等多种计数模式，可生成 PWM 波形，支持死区时间生成、三相 PWM 波形生成等功能，支持事件链接和相位计数模式。
• 比较匹配定时器 W（CMTW）：32 位 x 8 通道，支持比较匹配、输入捕获和输出比较功能，可输出中断请求。
• 通用定时器（GTM）：32 位 x 8 通道，有间隔定时器模式和自由运行比较模式。
• 实时时钟（RTC）：支持 2000 年至 2099 年的 100 年日历，采用 BCD 代码显示，时钟源为专用的 RTC 振荡器（32.768 kHz），具备自动闰年调整功能和闹钟功能。

2.13 音频接口规格

• 采样率转换器单元（SCU）：10 通道，最大采样率为 192 kHz，支持异步采样率转换，支持最高 24 位分辨率，有高音质和普通音质两种类型，可自动生成抗混叠滤波器系数。
• 音频时钟发生器单元（ADG）：为 SSIU、SCU 和 SPDIF 模块提供时钟信号。
• 直接访问内存控制器（ADMAC）：29 通道，用于音频模块（SSIU、SCU）之间的数据传输。
• 串行声音接口单元（SSIU）：10 通道用于半双工通信，5 通道用于全双工通信，支持 I2S、单声道和 TDM 音频格式，支持主模式和从模式，支持多种数据格式和 WS 信号连续功能，支持 ADMAC。
• SPDIF 接口：3 通道，支持 IEC60958 标准（仅立体声和消费模式），采样率为 32 kHz、44.1 kHz 和 48 kHz，音频字大小为 16 至 24 位每样本，采用双缓冲数据和奇偶编码串行数据，支持 DMAC。
• 脉冲密度调制（PDM）：6 通道，输入方向，采样率可选择 8、10、12、15、16、20、24、25、30、40 或 48 kHz，可过滤 1 位数字输入数据并转换为 20 位或 16 位数字数据，支持立体声麦克风采样，支持声音活动检测器唤醒 CPU，支持 DMAC。

2.14 模拟接口规格

• A/D 转换器（ADC）：8 通道，分辨率为 12 位，输入范围为 0 V 至 1.8 V，转换速率可选择 2.5 Msps、2.0 Msps、1.0 Msps、0.5 Msps、0.25 Msps，支持多种操作模式，如单扫描、连续扫描、组扫描，可通过软件触发、异步触发（外部 ADTRG 触发）和同步触发（ELC 和 GPT 定时器）启动 A/D 转换，具备多种中断源。
• 温度传感器单元（TSU）：包含 12 位 A/D 转换器，分辨率为 0.0625°C/code，范围为 - 40°C 至 125°C，精度为 ±5°C，转换速率为 14.9 ksps，支持单扫描模式，可通过软件触发和同步触发（ELC）启动测量，具备转换结束和窗口比较匹配等中断源。

2.15 安全规格

安全 IP（RSIP）支持多种安全算法，如对称密钥加密（AES）、非对称密钥加密（RSA、ECC），还具备真随机数生成器（TRNG）和哈希值生成（SHA - 1、SHA - 2、SHA - 3）功能，支持唯一 ID。

2.16 其他规格

支持基于 IEEE 1149.1 的边界扫描，但部分模块引脚不可用于边界扫描。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

芯片对各个电源引脚的电压有明确的绝对最大额定值限制，如 CA55 的 VDD09CA55 电压范围为 - 0.4 V 至 1.2 V，USB3 Ch0 的 USB30_USVPH 电压范围为 - 0.4 V 至 2.5 V 等。超过这些额定值可能会对芯片造成永久性损坏。

3.2 推荐工作范围

不同电源引脚有推荐的工作电压范围，如 CA55 的 VDD09_CA55 在 0.9 V 时（OD 模式）推荐范围为 0.86 V 至 0.94 V，在 0.8 V 时（ND 模式）推荐范围为 0.76 V 至 0.84 V 等。

3.3 电源开/关序列

芯片的电源开/关序列对于其正常工作至关重要。CM33 和 CA55 启动模式下的电源开/关序列有详细的规定，包括各个电源引脚的上电和下电时间顺序、最小和最大时间要求等。例如，在 CM33 启动模式下，VDD08_OTHERS、USB30_USVPTX、USB2_USDVDD 等电源引脚有最小 10 µs 的要求，DDR0_VDDQ、DDR0_VDDQLP 等有不同的最小时间要求。

3.4 DC 特性

• 最大供应电流：在不同的