Atmel SAM D21系列微控制器：低功耗高性能之选

在电子设计的领域中，选择合适的微控制器对于项目的成功至关重要。Atmel SAM D21系列微控制器以其丰富的特性和出色的性能，成为众多工程师的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款微控制器。

文件下载：ATSAMD21E16A-AU.pdf

一、产品概述

Atmel SAM D21是一系列采用32位ARM Cortex - M0+处理器的低功耗微控制器。它的引脚数量从32到64不等，拥有高达256KB的闪存和32KB的SRAM。该系列设备的最高运行频率可达48MHz，每兆赫兹能达到2.14 Coremark。其设计便于产品系列内各设备之间的迁移，具有相同的外设模块、十六进制兼容代码、相同的线性地址映射和引脚兼容的迁移路径。

二、主要特性

（一）处理器

• 高性能CPU：ARM Cortex - M0+ CPU最高运行频率可达48MHz，具备单周期硬件乘法器和微跟踪缓冲区，能有效提升处理速度和效率。
• 指令集兼容：与Cortex - M0核心100%指令集兼容，并且向上兼容Cortex - M3和M4核心，方便代码移植和开发。

（二）存储器

• 闪存：提供32/64/128/256KB的系统内自编程闪存，满足不同项目对存储容量的需求。
• SRAM：有4/8/16/32KB的SRAM可供选择，为程序运行和数据处理提供充足的空间。

（三）系统

• 电源管理：具备上电复位（POR）和欠压检测（BOD）功能，保障系统在不同电源条件下的稳定运行。
• 时钟选项：提供内部和外部时钟选项，包括48MHz数字锁频环（DFLL48M）和48MHz至96MHz分数数字锁相环（FDPLL96M），可灵活配置系统时钟。
• 中断控制：外部中断控制器（EIC）支持16个外部中断和1个不可屏蔽中断，还配备两线串行线调试（SWD）编程、测试和调试接口，方便开发和调试。

（四）低功耗设计

• 睡眠模式：拥有空闲和待机两种软件可选睡眠模式。空闲模式下CPU停止运行，其他功能可继续保持；待机模式下除选定继续运行的功能外，所有时钟和功能都停止。
• SleepWalking功能：允许外设根据预定义条件从睡眠中唤醒，使CPU仅在需要时唤醒，有效降低功耗。

（五）外设

• DMA控制器：12通道直接内存访问控制器（DMAC），可实现数据的高效传输。
• 事件系统：12通道事件系统，支持同步和异步事件，即使在待机模式下，外设也能接收、响应和发送事件。
• 定时器/计数器：多达五个16位定时器/计数器（TC）和三个24位控制用定时器/计数器（TCC），TC可配置为不同模式，TCC具有扩展功能，如生成同步脉冲宽度调制（PWM）模式、确定性故障保护等。
• 通信接口：一个全速（12Mbps）通用串行总线（USB）2.0接口，支持嵌入式主机和设备功能；多达六个串行通信接口（SERCOM），可配置为USART、I²C、SPI、LIN从机等；一个两通道I²S接口。
• 模拟外设：一个12位、350ksps的模数转换器（ADC），最多20个通道，支持差分和单端输入，具备可编程增益、自动偏移和增益误差补偿等功能；一个10位、350ksps的数模转换器（DAC）；两个带窗口比较功能的模拟比较器（AC）。
• 触摸控制器：外设触摸控制器（PTC）支持256通道电容式触摸和接近感应。

（六）I/O

• 最多52个可编程I/O引脚，并且与SAM D20引脚兼容，方便进行升级和替换。

（七）封装

提供64引脚TQFP、QFN，48引脚TQFP、QFN和32引脚TQFP、QFN等多种封装形式，可根据实际需求选择。

（八）工作电压

工作电压范围为1.62V - 3.63V，适应不同的电源环境。

三、产品配置

SAM D21系列包括SAM D21J、SAM D21G和SAM D21E三种型号，它们在引脚数量、通用I/O引脚数量、闪存和SRAM容量、定时器/计数器实例等方面存在差异，工程师可以根据具体项目需求进行选择。

四、订购信息

不同型号的SAM D21微控制器有多种订购代码可供选择，涵盖了不同的闪存容量、封装形式和载体类型。例如，ATSAMD21E15A - AUT表示32KB闪存、TQFP32封装、卷带包装的SAM D21E型号。

五、引脚配置与复用

（一）引脚复用

每个引脚默认由PORT作为通用I/O控制，也可分配给外设功能A - H。要启用引脚上的外设功能，需将PORT中对应引脚配置寄存器的外设复用使能位（PINCFGn.PMUXEN）置为1，并通过PORT中外设复用寄存器（PMUXn.PMUXE/O）选择外设功能。

（二）特殊引脚

• 振荡器引脚：振荡器的复用由系统控制器（SYSCTRL）中的寄存器控制，如XOSC的XIN引脚为PA14，XOUT引脚为PA15；XOSC32K的XIN32引脚为PA00，XOUT32引脚为PA01。
• 串行线调试接口引脚：只有SWCLK引脚映射到正常PORT功能，调试器的冷插拔或热插拔检测会自动将SWDIO端口切换到SWDIO功能，SWCLK引脚为PA30，SWDIO引脚为PA31。

六、电源供应与启动考虑

（一）电源域概述

SAM D21有多个不同的电源供应引脚，包括VDDIO、VDDIN、VDDANA和VDDCORE。VDDIO、VDDIN和VDDANA需施加相同的电压（(V_{DD})），范围为1.62V - 3.63V；VDDCORE为内部稳压输出，电压为1.2V。

（二）电压调节器

SAM D21的电压调节器有正常模式和低功耗（LP）模式。正常模式用于CPU和外设运行时；低功耗模式用于调节器静态电流较小时，可在待机模式下使用。

（三）上电序列

• 时钟启动：上电后，设备进入初始状态并保持复位，直到电源稳定。之后使用1MHz时钟，该时钟由8MHz内部振荡器（OSC8M）分频得到，作为通用时钟发生器0的时钟源，通用时钟发生器0是电源管理器（PM）的主时钟。
• I/O引脚：上电后，I/O引脚处于三态。
• 初始指令获取：复位释放后，CPU从复位地址（0x00000000）获取PC和SP值，该地址指向内部闪存中的第一个可执行地址，代码可自由配置时钟系统和时钟源。

（四）上电复位和欠压检测

• POR：监控VDDANA，始终激活，在启动和所有睡眠模式下监控电压，若VDDANA低于阈值电压，整个芯片将复位。
• BOD33：监控VDDANA。
• BOD12：设备启动后，监控内部VDDCORE，其校准配置存储在NVM用户行中，用户行写入时不应更改该配置，以确保BOD12的正确行为。

七、存储器

（一）嵌入式存储器

包括内部高速闪存和内部高速RAM，可实现全速单周期访问。

（二）物理内存映射

32位物理地址空间的映射固定，不同型号的闪存和SRAM容量有所不同，如SAMD21x18的嵌入式闪存为256KB，SRAM为32KB。

（三）NVM用户行映射

NVM用户行包含校准数据，上电时自动读取，可在地址0x804000读取，写入时需参考“NVMCTRL – 非易失性存储器控制器”。

（四）NVM软件校准区域映射

该区域包含生产测试期间测量和写入的校准数据，可在地址0x806020读取，但不可写入，应用程序软件应读取这些校准值并写回相应寄存器。

（五）序列号

每个设备都有一个唯一的128位序列号，由四个32位字拼接而成，分别位于0x0080A00C、0x0080A040、0x0080A044和0x0080A048地址。

Atmel SAM D21系列微控制器凭借其丰富的特性、低功耗设计和良好的兼容性，为电子工程师提供了一个强大而灵活的解决方案。在实际应用中，工程师可以根据项目的具体需求，充分发挥其优势，实现高效、稳定的系统设计。你在使用微控制器时，更看重哪些特性呢？欢迎在评论区分享你的观点。