Atmel SAM7S系列ARM微控制器深度解析

一、引言

在嵌入式系统的设计领域，微控制器的选择至关重要。Atmel的SAM7S系列ARM微控制器凭借其高性能、低功耗以及丰富的外设功能，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入剖析这款微控制器的特点、性能及应用。

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二、SAM7S系列概述

SAM7S系列是基于32位ARM RISC处理器的低引脚数闪存微控制器。它集成了高速闪存和SRAM，拥有丰富的外设，如USB 2.0设备（除SAM7S32和SAM7S16外），还具备完整的系统功能，能最大程度减少外部组件的使用。对于寻求更高性能和更大内存的8位微控制器用户来说，SAM7S系列是理想的升级选择。

2.1 不同型号配置差异

SAM7S系列包含SAM7S512、SAM7S256、SAM7S128、SAM7S64、SAM7S321、SAM7S32、SAM7S161和SAM7S16等型号，它们在内存大小、外设配置和封装形式上有所不同。具体配置总结如下：	设备	闪存	TWI	闪存组织	SRAM	USB设备端口	USART	外部中断源	PDC通道	TC通道	I/O 5V耐受	I/O线	封装
SAM7S512	512 Kbytes	主模式	双平面	64 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	是	32	LQFP/QFN 64
SAM7S256	256 Kbytes	主模式	单平面	64 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	是	32	LQFP/QFN 64
SAM7S128	128 Kbytes	主模式	单平面	32 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	是	32	LQFP/QFN 64
SAM7S64	64 Kbytes	主模式	单平面	16 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	是	32	LQFP/QFN 64
SAM7S321	32 Kbytes	主模式	单平面	8 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	是	32	LQFP/QFN 64
SAM7S32	32 Kbytes	主模式	单平面	8 Kbytes	无	1个	1个	9个	3个（仅2个通道可通过PIO访问）	是	21	LQFP/QFN 48
SAM7S161	16 Kbytes	主/从模式	单平面	4 Kbytes	有	2个	2个	11个	3个	否	32	LQFP
SAM7S16	16 Kbytes	主/从模式	单平面	4 Kbytes	无	1个	1个	9个	3个（仅2个通道可通过PIO访问）	否	21	LQFP/QFN 48

除SAM7S32/16外，其他SAM7S设备在封装和引脚排列上是兼容的，这为工程师在不同型号之间进行切换提供了便利。

三、硬件特性

3.1 处理器与架构

• ARM7TDMI处理器：基于ARMv4T冯·诺依曼架构的RISC处理器，最高运行频率可达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®高代码密度16位指令集，采用三级流水线架构（指令获取、指令解码、执行），能有效提高指令执行效率。
• 调试与测试特性：集成了EmbeddedICE™（嵌入式在线仿真器），具备两个观察点单元，可通过JTAG协议访问测试端口，支持调试通信通道。还拥有调试单元，包括双引脚UART、调试通信通道中断处理、芯片ID寄存器以及IEEE1149.1 JTAG边界扫描功能，方便工程师进行调试和测试。
• 内存控制器：负责处理ARM7TDMI和外设DMA控制器的请求，通过地址解码器为三个内部1 Mbyte内存区域和一个256 Mbyte嵌入式外设区域提供选择信号。具备中止状态寄存器，可保存导致中止的访问源、类型和所有参数，便于调试。还有未对齐检测器，能对所有数据访问进行对齐检查，在未对齐时生成中止信号。支持重映射命令，可将SRAM重映射到嵌入式非易失性内存的位置，方便处理动态异常向量。嵌入式闪存控制器提供高达三个可编程等待状态的闪存接口，带有预取缓冲区，能缓冲和预测16位请求，减少所需的等待状态。
• 外设DMA控制器：负责处理外设与内存之间的数据传输。SAM7S512/256/128/64/321/161有11个通道，SAM7S32/16有9个通道。每个USART、调试单元、串行同步控制器、串行外设接口和模数转换器都有对应的通道。总线仲裁开销低，从内存到外设的传输只需一个主时钟周期，从外设到内存的传输需要两个主时钟周期。通过下一个指针管理可减少中断延迟要求，各通道有不同的优先级。

3.2 内存

• 内部SRAM：不同型号的SRAM大小不同，如SAM7S512和SAM7S256为64 Kbytes，SAM7S128为32 Kbytes，SAM7S64为16 Kbytes，SAM7S321/32为8 Kbytes，SAM7S161/16为4 Kbytes。复位后，SRAM在地址0x0020 0000处可访问，执行重映射命令后，也可在地址0x0处访问。
• 内部ROM：包含快速闪存编程接口（FFPI）和SAM - BA程序，但默认情况下不进行映射。
• 内部闪存：不同型号的闪存容量和组织方式不同。例如，SAM7S512采用双平面组织，有两个连续的1024页，每页256字节；其他型号大多采用单平面组织。闪存具有快速访问时间，在最坏情况下可实现30 MHz单周期访问。页编程时间为6 ms（包括页自动擦除），无自动擦除时为3 ms，全芯片擦除时间为15 ms，具备10,000次写周期和10年数据保留能力。部分区域可通过锁定位进行保护，还设有安全位，启用后禁止通过ICE接口或快速闪存编程接口访问闪存，确保代码的保密性。

3.3 系统控制器

• 复位控制器：基于上电复位单元和欠压检测器，能给出最后一次复位的状态，控制内部复位和NRST引脚的开漏输出，可对NRST线上的信号进行整形，保证脉冲长度满足要求。欠压检测器监测VDDCORE电平，当电压低于触发水平时激活欠压输出，高于触发水平时释放复位。欠压检测器阈值典型值为1.68V，精度为± 2%，具有约50 mV的迟滞，以确保无尖峰的欠压检测。
• 时钟发生器：集成了低功耗RC振荡器（频率范围22 kHz - 42 kHz）、主振荡器（频率范围3 - 20 MHz，可旁路）和PLL（输出范围80 - 220 MHz），提供慢时钟SLCK、主时钟MAINCK和PLL时钟PLLCK。
• 电源管理控制器：利用时钟发生器的输出提供处理器时钟PCK、主时钟MCK、USB时钟UDPCK（SAM7S32/16无）以及所有外设时钟，这些时钟可独立控制，还提供三个可编程时钟输出。主时钟MCK可在几百Hz到设备最大工作频率之间进行编程，处理器时钟PCK在进入处理器空闲模式时关闭，可降低功耗。
• 高级中断控制器：控制ARM处理器的中断线（nIRQ和nFIQ），中断源可单独屏蔽和向量处理。源0保留给快速中断输入（FIQ），源1保留给系统外设（如RTT、PIT、EFC、PMC、DBGU等），其他源控制外设中断或外部中断。支持可编程的边沿触发或电平敏感内部源，以及可编程的正/负边沿触发或高/低电平敏感外部源，具有8级优先级控制，可在处理低优先级中断时服务更高优先级的中断，采用向量处理优化中断服务程序的分支和执行，还具备保护模式、快速强制功能和通用中断屏蔽功能。
• 调试单元：包括双引脚UART、调试通信通道（DCC）接口、芯片ID寄存器和ICE访问预防接口。双引脚UART的实现特性与USART兼容，具有可编程波特率发生器、奇偶校验、帧和溢出错误检测、自动回显、本地回环和远程回环通道模式。芯片ID寄存器可用于识别设备的修订版、嵌入式内存大小和外设集。
• 周期性间隔定时器：具有20位可编程计数器和12位间隔计数器。
• 看门狗定时器：12位密钥保护的可编程计数器，运行在预分频的SCLK上，可向系统提供复位或中断信号，在处理器处于调试状态或空闲模式时计数器可停止。
• 实时定时器：32位自由运行计数器，带有警报功能，运行在预分频的SCLK上，具有可编程的16位预分频器，用于补偿SLCK的精度。
• PIO控制器：控制32个I/O线（SAM7S32/16为21个），可通过设置/清除寄存器进行完全编程。每个I/O线可分配两个外设功能之一，具备输入变化中断、半时钟周期毛刺滤波器、多驱动选项（可驱动开漏）、可编程上拉电阻、引脚数据状态寄存器和同步输出功能。
• 电压调节器控制器：用于选择电压调节器的电源模式，可在正常模式（位0清除）和待机模式（位0设置）之间切换。

3.4 外设

• 用户接口：用户外设映射在0xF000 0000到0xFFFF EFFF的256 MBytes地址空间中，每个外设分配16 Kbytes的地址空间。
• 外设标识符：不同型号的外设标识符有所不同，用于通过高级中断控制器控制外设中断和通过电源管理控制器控制外设时钟。
• PIO控制器A复用：PIO控制器A控制I/O线的复用，每个线可分配两个外设功能之一，部分还可与ADC控制器的模拟输入复用。复位时，所有引脚的并行I/O线功能配置为输入，并启用可编程上拉电阻。
• 串行外设接口：支持与外部串行设备通信，通过四个芯片选择和外部解码器可与多达15个外设通信，可用于与串行存储器（如DataFlash®和3线EEPROM）、串行外设（如ADC、DAC、LCD控制器、CAN控制器和传感器）以及外部协处理器通信。支持8 - 16位可编程数据长度、可编程相位和极性、可编程传输延迟以及可选的模式故障检测，最大频率可达主时钟频率。
• 两线接口：SAM7S512/256/128/64/321/32支持主模式，SAM7S161/16支持主、多主和从模式，从模式下支持通用调用。与I2C兼容设备兼容，具有一、二或三个字节的内部地址寄存器，方便串行存储器访问，支持7位或10位从地址和顺序读写操作。
• USART：具有可编程波特率发生器，支持5 - 9位全双工同步或异步串行通信，在异步模式下支持1、1.5或2个停止位，同步模式下支持1或2个停止位，具备奇偶校验生成和错误检测、帧错误检测、溢出错误检测、MSB或LSB优先、可选的中断生成和检测、8或16倍过采样接收器频率、硬件握手（RTS - CTS）、调制解调器信号管理（DTR - DSR - DCD - RI，SAM7S32/16无）、接收器超时和发送器时间保护、多下降模式（带地址生成和检测）、RS485（带驱动器控制信号）、ISO7816（T = 0或T = 1协议，用于与智能卡接口）、NACK处理、错误计数器（带重复和迭代限制）、IrDA调制和解调，通信速率可达115.2 Kbps，还支持测试模式（远程回环、本地回环、自动回显）。
• 串行同步控制器：提供用于音频和电信应用的串行同步通信链路，包含独立的接收器和发送器以及公共时钟分频器，可配置帧同步和数据长度，接收器和发送器可编程为自动启动或在检测到帧同步信号的不同事件时启动，包括数据信号、时钟信号和帧同步信号。
• 定时器计数器：有三个16位定时器计数器通道（SAM7S32/16只有两个通道连接到PIO），每个通道可进行两个输出比较或一个输入捕获，具有频率测量、事件计数、间隔测量、脉冲生成、延迟定时、脉冲宽度调制等功能，支持上下计数能力。每个通道有三个外部时钟输入（SAM7S32/16有一个）、五个内部时钟输入，还有两个多功能输入/输出信号和两个作用于所有三个TC通道的全局寄存器。
• PWM控制器：有四个通道，每个通道有一个16位计数器，具有公共时钟发生器，提供十三种不同的时钟，一个模n计数器提供十一种时钟，两个独立的线性分频器作用于模n计数器输出。各通道可独立编程，具备独立的启用/禁用命令、时钟选择、周期和占空比（带双缓冲）、可编程的输出波形极性和中心或左对齐输出波形。
• USB设备端口（SAM7S32/16除外）：符合USB V2.0全速标准，速率为12 Mbits每秒，集成了USB V2.0全速收发器和328字节的双端口RAM用于端点，有四个端点（端点0为8字节，端点1和2为64字节乒乓模式，端点3为64字节），支持等时和批量端点的乒乓模式以及暂停/恢复逻辑。
• 模数转换器：8通道ADC，10位时采样率为384 Ksamples/秒，8位时采样率为583 Ksamples/秒，采用逐次逼近寄存器ADC，积分非线性为±2 LSB，差分非线性为±1 LSB，集成8 - 1多路复用器，提供八个独立的3.3V模拟输入，可使用外部电压参考以提高低电压输入的精度，每个通道可单独启用和禁用，具有多个触发源（硬件或软件触发、外部触发引脚、定时器计数器0 - 2的输出TIOA0 - TIOA2触发），支持睡眠模式和转换序列器，触发时自动唤醒，所有启用通道转换完成后返回睡眠模式，八个模拟输入中有四个与数字信号共享。

四、电源考虑

4.1 电源供应

SAM7S系列有六种类型的电源供应引脚，并集成了电压调节器，允许仅用一个电压为设备供电。具体如下：

• VDDIN引脚：为电压调节器和ADC供电，电压范围为3.0V - 3.6V，标称值为3.3V。
• VDDOUT引脚：是1.8V电压调节器的输出。
• VDDIO引脚：为I/O线和USB收发器供电，支持双电压范围，3.0V - 3.6V（标称3.3V）或1.65V - 1.95V（标称1.8V）。若VDDIO供电低于3.0V，则无法使用USB收发器。
• VDDFLASH引脚：为闪存的一部分供电，是闪存正常工作所必需的，电压范围为3.0V - 3.6V，标称值为3.3V。
• VDDCORE引脚：为设备的逻辑部分供电，电压范围为1.65V - 1.95V，典型值为1.8V，可通过去耦电容连接到VDDOUT引脚。启动时，核心电源电压（VDDCORE）斜率必须大于或等于6V/ms。
• VDDPLL引脚：为振荡器和PLL供电，可直接连接到VDDOUT引脚。

不同电源供应没有单独的接地引脚，只有GND引脚，应尽可能短地连接到系统接地平面。若不使用电压调节器和ADC，可将VDDIN、ADVREF、AD4、AD5、AD6和AD7连接到GND，此时VDDOUT应保持未连接状态。

4.2 功耗

在25°C时，VDDCORE上的静态电流小于60 µA，包括RC振荡器、电压调节器和上电复位。激活欠压检测器时，会增加20 µA的静态电流。在全速运行闪存时，VDDCORE上的动态功耗小于50 mA，