Freescale K60系列MCU：高性能与低功耗的完美结合

在嵌入式系统设计领域，选择一款合适的微控制器（MCU）至关重要。Freescale的K60系列MCU凭借其卓越的性能、丰富的功能和低功耗特性，成为众多工程师的首选。本文将深入介绍K60系列MCU的特点、功能以及开发环境，帮助工程师更好地了解和应用这款产品。

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一、Kinetis产品组合概述

Kinetis是业内最具可扩展性的低功耗、混合信号ARM® Cortex™ - M4 MCU产品组合。该组合的第一阶段包括五个MCU家族，拥有超过200种引脚、外设和软件兼容的设备。每个家族都提供出色的性能、内存和功能扩展性，具有通用的外设、内存映射和封装，便于在家族内部和家族之间进行轻松迁移。

Kinetis MCU采用了Freescale创新的90nm薄膜存储（TFS）闪存技术和独特的FlexMemory。它结合了最新的低功耗创新技术、高性能和高精度混合信号能力，以及广泛的连接性、人机界面和安全外设。同时，Kinetis MCU得到了Freescale市场领先的支持包以及众多ARM第三方生态系统合作伙伴的支持。

二、K60家族介绍

K60 MCU家族具有IEEE 1588以太网、全速和高速USB 2.0 On - The - Go以及设备充电器检测功能、硬件加密和篡改检测功能。设备的闪存容量从100LQFP封装的256 KB开始，最高可达256MAPBGA封装的1 MB，并配备了丰富的模拟、通信、定时和控制外设。高内存密度的K60家族设备还包括可选的单精度浮点单元、NAND闪存控制器和DRAM控制器。

三、K60模块特性

（一）核心模块

1. ARM Cortex - M4 Core：支持高达150 MHz的频率，每兆赫兹可提供1.25 DMIPS的性能。基于ARMv7架构和Thumb® - 2 ISA，采用哈佛总线架构和3级流水线，集成了数字信号处理器（DSP）、可配置的嵌套向量中断控制器（NVIC）以及先进的可配置调试和跟踪组件，还可选配单精度浮点单元（SPFPU）。
2. NVIC：与Cortex - M4核心的哈佛架构紧密耦合，可实现低延迟中断处理。支持多达120个中断源，包括一个不可屏蔽中断，具有16级优先级，每个中断源可动态配置，支持中断嵌套，向量表可重定位。
3. WIC：支持在低功耗模式下系统时钟禁用时的中断处理。在进入深度睡眠模式时，由NVIC正确初始化后，可接管并模拟NVIC的行为。它具有基本的中断屏蔽系统，无优先级逻辑，一旦检测到未屏蔽的中断就会触发唤醒信号。
4. Debug Controller：包括串行线JTAG调试端口（SWJ - DP），结合了标准JTAG或cJTAG接口和串行线双向调试接口。还具备调试观察点和跟踪（DWT）、仪器跟踪宏单元（ITM）、嵌入式跟踪宏单元（ETM）、CoreSight™嵌入式跟踪缓冲区（ETB）、测试端口接口单元（TPIU）以及闪存补丁和断点（FPB）等功能。

（二）系统模块

1. PMC：提供独立的数字（调节）和模拟（参考数字）电源输出，支持可编程节能模式，无需输出电源去耦电容。可通过RTC和外部输入从节能模式唤醒，集成了上电复位（POR）、低压检测（LVD）、可编程低压警告（LVW）中断功能、缓冲带隙参考电压输出以及工厂编程的带隙和LVD校准。
2. DMA MUX：具有16个独立可选的DMA通道路由器和4个周期性触发源，每个通道路由器可分配到64个可能的外设DMA源之一。
3. DMA Controller：最多支持32个完全可编程通道，具有32字节的传输控制描述符。支持8位、16位、32位和128位数据值的双地址传输，可编程源、目标地址、传输大小，支持增强地址模式，支持主、次嵌套计数器，每个通道有一个请求和一个中断，支持通道间链接和分散/聚集功能，采用固定优先级和轮询通道仲裁。
4. WDOG：具有独立的、可配置的时钟源输入，写一次控制位需解锁序列，可编程超时周期，可测试看门狗定时器和复位，支持窗口刷新选项，具有强大的刷新机制，可累计上电复位之间的看门狗复位次数，可配置超时中断。
5. EWM：使用独立的1 kHz LPO时钟源，输出信号用于控制外部电路，由CPU服务或外部输入控制。
6. System Clocks：包括频率锁定环（FLL）、数字控制振荡器（DCO）、锁相环（PLL）、内部或外部参考时钟、晶体振荡器（XOSC）等，提供多种时钟源选项，具有自动校准功能，可满足不同外设的时钟需求。

（三）存储器和存储器接口

1. On - Chip Memory：不同性能的设备具有不同的内存配置。100MHz性能设备最高可配备512KB程序闪存、256KB FlexNVM、4KB FlexRAM和128KB SRAM；120MHz和150MHz性能设备最高可配备1024KB程序闪存、512KB FlexNVM、16KB FlexRAM、16KB缓存和128KB SRAM，同时具备安全电路防止对RAM和闪存内容的未授权访问。
2. FlexBus：具有六个独立的、用户可编程的片选信号，可与外部SRAM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存和其他外设接口。支持高达2 GB的可寻址空间，具有8位、16位和32位端口大小，支持复用或非复用地址和数据总线，支持字节、字、长字和16字节行大小的传输，可编程地址建立时间和保持时间。
3. EzPort：与行业标准SPI闪存存储器使用相同的串行接口和部分命令集，可读取、擦除和编程闪存存储器，具有复位命令，可在闪存编程后启动系统。
4. DDR Controller：支持与LPDDR、DDR和DDR2 DRAM设备的无缝接口，支持16位固定内存端口宽度，16字节关键字优先突发传输，最多支持16行地址、16列地址线、2位银行地址和两个片选，支持高达256 MByte的内存，支持页面模式和睡眠模式、自刷新模式。
5. NAND Flash Controller：具有8位和16位NAND闪存接口、9 KB RAM缓冲区，支持所有NAND闪存产品，支持闪存设备命令，集成DMA引擎和两个可配置的DMA通道，可选ECC模式支持4/6/8/12/16/24/32位错误纠正，可从页面大小≥2KB的闪存（x8）启动，无需额外控制。

（四）安全和完整性

1. CRC：使用16/32位移位寄存器的硬件CRC生成电路，用户可配置16/32位CRC，可编程生成多项式，可检测所有单、双、奇数和大多数多位错误，可编程初始种子值，高速CRC计算，可选通过转置寄存器转置输入数据和CRC结果。
2. CAU：支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256算法，提供由Freescale优化的安全函数的简单C调用。
3. RNG：支持数字签名标准中定义的密钥生成算法，集成熵源可为PRNG提供种子熵。
4. Tamper Detect：包括模拟篡改检测（电压、温度和时钟）、外部篡改检测、有源线网篡改检测、内部篡改检测（闪存安全和安全SRAM），具有寄存器锁定、篡改启用和模拟校准配置位，安全RTC支持自动补偿，具有32位单调计数器、256位安全存储（篡改检测时异步擦除）、32 - 256位通用存储（不擦除），以及单备份电源、电压监测、温度监测和时钟监测功能。

（五）模拟模块

1. ADC：采用线性逐次逼近算法，最高可达16位分辨率，支持差分和单端输出模式，可进行单或连续转换，可配置采样时间和转换速度/功率，具有转换完成和硬件平均完成标志及中断，输入时钟可从多达四个源中选择，可在低功耗模式下运行以降低噪声，支持异步时钟源和异步硬件转换触发，具有自动比较和中断功能、温度传感器、硬件平均功能、可选电压参考和自校准模式。
2. CMP：具有6位DAC可编程参考发生器输出，最多可选择八个比较器输入，可选择上升沿、下降沿或两者的中断，输出支持采样、窗口模式和数字滤波，具有两种性能模式，可在所有MCU功率模式下运行。
3. DAC：具有12位分辨率，保证输入字的6 - sigma单调性，支持高速和低速转换，具有掉电模式，可选择异步或同步更新，自动模式可生成方波、三角波和锯齿波等输出波形，支持DMA，具有可配置的水印级别。
4. VREF：具有可编程校准寄存器，步长为0.5mV，复位时自动加载室温值，支持可编程模式选择，室温下输出1.2V，具有专用输出引脚。

（六）定时器模块

1. PDB：具有多达15个触发输入源和软件触发源，最多可配置八个PDB通道用于ADC硬件触发，每个PDB通道有一个触发输出和最多八个预触发输出，触发输出可独立启用或禁用，每个预触发输出有一个16位延迟寄存器，支持旁路延迟寄存器，可在单次或连续模式下运行，支持背靠背模式，具有可编程延迟中断和序列错误中断，支持DMA，最多可提供八个DAC间隔触发。
2. FTM：可选择FTM源时钟，可编程预分频器，16位计数器支持自由运行或初始/最终值，可向上或上下计数，支持输入捕获、输出比较、边缘对齐和中心对齐PWM模式，支持FTM通道成对或独立操作，可插入死区时间，可生成硬件触发，支持软件控制PWM输出，最多有4个故障输入用于全局故障控制，可编程通道极性，可配置输入捕获、参考比较、计数器溢出或检测到故障条件时的中断，支持正交解码器，支持FTM事件的DMA，支持全局时基模式。
3. PIT：最多可提供4个通用中断定时器和4个用于触发ADC转换的中断定时器，32位计数器分辨率，由系统时钟频率驱动，支持DMA。
4. Low Power Timer：可作为定时器或脉冲计数器，可选择预分频器/毛刺滤波器的时钟，支持1 kHz内部LPO、外部低功耗晶体振荡器、内部参考时钟（低泄漏功率模式下不可用）和二次外部参考时钟（如32 kHz晶体），可配置毛刺滤波器或预分频器，定时器比较时可生成中断和硬件触发。
5. CMT：具有四种操作模式，可独立控制高和低时间，支持基带、频移键控（FSK）模式，可直接软件控制CMT_IRO信号，在时间、基带和FSK模式下支持扩展空间操作，可选择输入时钟分频器，周期结束时可产生中断，可禁用CMT_IRO信号并用作定时器中断。
6. RTC：具有独立的电源、POR和32 kHz晶体振荡器，32位秒计数器和32位闹钟，检测到篡改时可使计数器无效，具有16位预分频器和补偿功能，寄存器写保护，硬锁需要VBAT POR才能启用写访问，软锁需要系统复位才能启用读写访问。

（七）通信接口模块

1. Ethernet MAC：具有10/100 BaseT/TX能力，支持半双工或全双工，硬件支持IEEE 1588标准，支持媒体独立接口（MII）和简化媒体独立接口（RMII），内置统一DMA，片上收发FIFO，支持传统缓冲区描述符编程模型和功能，支持新以太网功能的增强缓冲区描述符编程模型，支持通过魔术包从低功耗模式唤醒，提供多种时钟源选项用于时间戳时钟。
2. USB On - The - Go Module (FS/LS)：符合USB 2.0规范，支持USB主机模式和设备模式，支持增强主机控制器接口（EHCI），可直接连接FS/LS设备，无需OHCI/UHCI配套控制器，受Linux和其他商用操作系统支持，支持一个上游端口和四个可编程双向USB端点，支持暂停模式和远程唤醒，集成了处理器的低功耗模式，包括片上全速（12 Mbps）和低速（1.5 Mbps）收发器。
3. USBDCD：与多种电源系统兼容，包括可充电电池、不可充电电池、外部3.3v LDO调节器和直接从USB供电，具有可编程事件定时器，符合最新的USB电池充电规范1.1版。
4. USB Voltage Regulator：5V调节器输入通常由USB VBUS电源提供，3.3V调节输出为片上USB收发器供电，输出引脚可用于为外部板组件供电，最大可提供120mA电流，消除了外部LDO的成本，3.3V调节输出可为主电源供电。
5. USB On - The - Go Module (HS/FS/LS)：符合USB 2.0规范，支持USB主机模式和设备模式，支持EHCI，通过外部ULPI收发器实现HS/FS/LS操作，受Linux和其他商用操作系统支持，支持一个上游端口和四个可编程双向USB端点，支持暂停模式和远程唤醒，集成了处理器的低功耗模式，支持片外HS/FS/LS收发器，外部ULPI收发器支持主机模式下的高速（480 Mbps）、全速和低速操作，以及设备模式下的高速和全速操作，接口使用8位单数据速率ULPI数据总线，ULPI PHY为处理器提供60 MHz USB参考时钟输入。
6. CAN Module：支持CAN规范版本2.0 Part B的完整实现，支持标准和扩展数据及远程帧，数据长度为0 - 8字节，可编程比特率高达1 Mbit/sec，支持内容相关寻址，具有灵活的消息缓冲区，最多可配置16个消息缓冲区，支持监听模式，每个消息缓冲区有独立的掩码寄存器，可编程发送优先方案，基于16位自由运行定时器的时间戳，支持全局网络时间同步。
7. SPI：支持主从模式，全双工、三线同步传输，可编程传输比特率，双缓冲发送和接收数据寄存器，支持串行时钟相位和极性选项，有从选择输出，具有模式故障错误标志和CPU中断能力，可控制等待模式下的SPI操作，可选择MSB - first或LSB - first移位，可编程8位或16位数据传输长度，接收数据缓冲区硬件匹配功能，支持64位FIFO模式用于高速大量数据传输，支持DMA收发。
8. I2C：与I2C总线标准和SMBus规范版本2功能兼容，最高支持100 kbps的总线负载，支持多主操作，软件可编程64种不同的串行时钟频率，可编程从地址和毛刺输入滤波器，支持中断或DMA驱动的逐字节数据传输，仲裁丢失时可自动从主模式切换到从模式，具有调用地址识别中断、总线忙检测广播和10位地址扩展功能，处理器处于低功耗模式时，地址匹配可唤醒。
9. UART：支持ISO 7816协议用于与智能卡接口，全双工操作，标准NRZ格式，13位波特率选择，可编程8位或9位数据格式，独立启用发送器和接收器，可编程发送器输出极性和接收器输入极性，支持13位和11位中断字符选项，支持参数化缓冲区，独立的发送和接收FIFO结构，支持空闲线唤醒和地址标记唤醒两种接收器唤醒方法，接收器具有地址匹配功能以减少地址标记唤醒ISR开销，支持中断或DMA驱动操作，支持接收器帧错误检测、硬件奇偶校验生成和检查以及1/16位时间噪声检测。
10. SDHC：与多种存储卡规范兼容，包括SD主机控制器标准规范2.0、MultiMediaCard系统规范4.2、SD存储卡规范2.0、SDIO卡规范2.0和CE - ATA卡规范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设备，SD总线时钟频率最高可达50 MHz，支持单块和多块读写，块大小为1 - 4096字节，支持写保护开关，支持同步和异步中止、数据传输间隙暂停、SDIO读等待和暂停/恢复操作，支持自动CMD12用于多块传输，主机可在数据传输时发起非数据传输命令，允许卡以1和4位SDIO模式中断主机，支持SDIO标准定义的中断周期，具有128 x 32位可配置FIFO用于读写数据，具有内部DMA能力，支持通过配置供应商特定寄存器位选择电压，支持高级DMA进行链接内存访问。
11. I2S：具有独立（异步）或共享（同步）的发送和接收部分，可使用独立或共享的内部/外部时钟和帧同步，支持主从模式，用于音频支持，支持正常模式和网络模式，可编程数据接口模式，如I2S、LSB对齐和MSB对齐，可编程字长（8、10、12、16、18、20、22或24位），支持AC97。

（八）人机界面模块

1. GPIO：所有输入引脚可编程毛刺滤波器和中断，具有可选极性，所有输入引脚具有滞后和可配置的上拉/下拉设备