一文讀懂恩智浦MCX A系列: 面向嵌入式創(chuàng)新的通用MCU

MCX微控制器組合的設(shè)計(jì)理念是將恩智浦熱門器件的精華與新創(chuàng)功能相結(jié)合，推動(dòng)下一代智能邊緣設(shè)備的發(fā)展。MCX A系列在這個(gè)產(chǎn)品組合中扮演著重要角色，是通用芯片的首選。

MCX A系列簡(jiǎn)化了供電電路，適用于需要強(qiáng)大輸入輸出 (IO) 能力、有業(yè)界領(lǐng)先低功耗、多樣化連接選項(xiàng)以及更小器件封裝的應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之，MCX A系列讓設(shè)計(jì)人員能夠在保持簡(jiǎn)單PCB設(shè)計(jì)和系統(tǒng)BOM低成本的同時(shí)，獲得豐富的功能。

它的應(yīng)用范圍廣泛，包括:

工業(yè)通信

智能計(jì)量

電機(jī)控制/電力電子

自動(dòng)化與控制

傳感器

低功耗/電池供電設(shè)備

全面解讀MCX A 系列通用微控制器的優(yōu)勢(shì)特性，

MCX A核平臺(tái)

A133/143/153系列是MCX A系列的入門級(jí)產(chǎn)品，有相同的架構(gòu)和外設(shè)，運(yùn)行頻率為48MHz和96MHz。

A133/143/153系列芯片針對(duì)那些需要高性價(jià)比32位架構(gòu)，同時(shí)又要保留高階性能相關(guān)特性，比如DMA, 加速執(zhí)行的代碼/數(shù)據(jù)緩存和受ECC保護(hù)的內(nèi)存。

A133/143/153系列芯片采用Arm Cortex-M33基準(zhǔn)配置，提供多種封裝選項(xiàng)，包括10 x 10mm的LQFP64、7 x 7mm的HVQFN48和5 x 5mm的HVQFN32。

A133/143/153系列的最高配置版本配備128KB閃存，而A142/A152版則提供64KB閃存選項(xiàng)，以滿足更具成本效益的應(yīng)用需求。所有型號(hào)還有相同的外設(shè)，這大大簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)工作。

不同封裝類型芯片的IO和引腳完全兼容，這種設(shè)計(jì)便于產(chǎn)品升級(jí)和遷移，使設(shè)計(jì)人員能夠在成本、閃存空間和時(shí)鐘速度之間靈活權(quán)衡。多達(dá)8個(gè)引腳能夠提供20mA的大電流驅(qū)動(dòng)能力，還有額外兩個(gè)引腳可以耐受5V的電壓輸入。

MCX A系列采用無(wú)電容LDO電源架構(gòu)，工作電壓范圍為1.71V至3.6V。MCX A133/143/153電源架構(gòu)的一大亮點(diǎn)是其卓越的能效：

在內(nèi)部閃存執(zhí)行While(1)的運(yùn)行工作模式下為53μA/M Hz (3V@25°C)。

深度睡眠模式下為20.28μA，喚醒時(shí)間為7.4μs。

掉電模式下為6.5μA，喚醒時(shí)間為17.1μs，且保留所有SRAM內(nèi)容。

深度掉電模式下僅為394nA，喚醒時(shí)間為2.36ms。

MCX A133/143/153系統(tǒng)框圖

對(duì)于需要更大指令存儲(chǔ)器、RAM、更多IO數(shù)量以及CAN FD功能的應(yīng)用，MCX A146/156系列是更進(jìn)一步的選擇。A146/156系列保留了A133/143/153的許多核心特性，同時(shí)顯著增加了閃存容量、內(nèi)部RAM以及CAN FD功能。

A146/156系列基于Cortex-M33核進(jìn)行了一些其他顯著升級(jí)，包括添加了全精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元 (FPU) 和SIMD/DSP指令。SIMD/DSP指令的引入能為需要實(shí)時(shí)控制和數(shù)字濾波的應(yīng)用帶來(lái)重大性能提升。例如，具備DSP/SIMD功能的Cortex-M33 核擁有強(qiáng)大的SMLAL指令，能夠執(zhí)行32位x32位有符號(hào)乘法并進(jìn)行64位累加。這個(gè)高效指令可以成為高精度濾波器和控制算法的核心。

A146/156系列的內(nèi)存子系統(tǒng)擴(kuò)展至最高1MB閃存和128KB RAM。它還增強(qiáng)了模擬功能，新增了一個(gè)ADC、12位DAC和內(nèi)置運(yùn)算放大器。電機(jī)控制子系統(tǒng)也得到了擴(kuò)展，增加了一個(gè)額外的PWM單元、正交解碼和與/或非邏輯操作模塊。

A146/156系列提供更高引腳數(shù)的封裝選項(xiàng)，在保持小巧外形的同時(shí)提供更多物理IO：

LQFP100：14 x 14 x 1.4mm，0.5mm間距

LFBGA64：5 x 5 x 1.2mm，0.5mm間距

VFBGA112：7 x 7 x 0.86mm，0.5mm間距

功能更加豐富，A146/156系列仍保持卓越的低功耗性能：

運(yùn)行模式下功耗為64μA/MHz (從閃存執(zhí)行while(1)， 3.3V@25°C)

深度睡眠模式功耗為32.26μA，喚醒時(shí)間為7.1μs (3.3V@25°C)

掉電模式功耗為8.2μA，喚醒時(shí)間為16.6μs (保留RAM X0/X1和RAM A0，3.3V@25°C)

深度掉電模式功耗為412nA，喚醒時(shí)間為1.44ms (禁用喚醒定時(shí)器，啟用復(fù)位引腳，所有SRAM關(guān)閉，3.3V@25°C)

MCX A146/156框圖

高性能、堅(jiān)固耐用的內(nèi)存子系統(tǒng)

MCX A系列的內(nèi)存架構(gòu)專為要求嚴(yán)苛的工業(yè)邊緣應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，具有兩個(gè)值得關(guān)注的特性，特別適合成本敏感的設(shè)備。

第一個(gè)特性是低功耗緩存控制器 (LPCAC)。LPCAC是一個(gè)小巧但高效的4KB緩存控制器，連接到Cortex-M33的代碼總線。使用LPCAC，存儲(chǔ)在閃存中的數(shù)據(jù)和指令可以以更低延遲提供給CPU。這樣一來(lái)，其他外設(shè) (如DMA) 的總線可用性得到了提升，因?yàn)?a target="_blank">處理器性能不再與系統(tǒng)內(nèi)存性能掛鉤。如果不需要緩存，則4KB的LPCAC存儲(chǔ)器可重新用作指令存儲(chǔ)器。關(guān)鍵代碼和中斷矢量可以放置在該區(qū)域中，用于時(shí)間關(guān)鍵的算法和控制循環(huán)。

8KB的SRAM扇區(qū)具有錯(cuò)誤校正 (SRAM ECC) 能力是MCX A內(nèi)存架構(gòu)的第二個(gè)值得關(guān)注特性。錯(cuò)誤報(bào)告模塊 (ERM) 和錯(cuò)誤注入模塊 (EIM) 是與SRAM ECC相關(guān)的兩個(gè)外設(shè)。這些工具可用于測(cè)試和診斷運(yùn)行時(shí)內(nèi)存錯(cuò)誤。ERM通過專用寄存器和中斷標(biāo)記與ECC和奇偶校驗(yàn)相關(guān)的錯(cuò)誤事件。EIM可以通過編程方式觸發(fā)ECC/奇偶校驗(yàn)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的自我診斷能力。

標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)配備精密互連和DMA加速

MCX A系列包含了嵌入式工程師在通用芯片中所期望的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)陣列。MCX A系列中每個(gè)芯片都配備了標(biāo)準(zhǔn)UART、SPI、 I2C和定時(shí)器子系統(tǒng)，為傳統(tǒng)IO應(yīng)用場(chǎng)景奠定了基礎(chǔ)。

MCX A外設(shè)的一個(gè)重要特點(diǎn)是它們可以通過輸入多路復(fù)用模塊 (INPUTMUX) 在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號(hào)互連。INPUTMUX機(jī)制提供了極大的靈活性，允許在芯片內(nèi)部外設(shè)之間自由地互聯(lián)觸發(fā)信號(hào)和標(biāo)志。

MCX A的大部分外設(shè)都有觸發(fā)信號(hào)和輸入標(biāo)志，這些都可以由INPUTMUX提供源信號(hào)。同樣，INPUTMUX的輸入可以來(lái)自外部引腳、外設(shè)輸出/事件標(biāo)志或其他內(nèi)部信號(hào)。這種互聯(lián)靈活性極大地?cái)U(kuò)展了用戶在外設(shè)之間的創(chuàng)意組合能力，可以以最小的CPU干預(yù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

與/或非邏輯操作模塊 (AOI) 是與INPUTMUX密切相關(guān)的另一個(gè)“系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)”外設(shè)。AOI模塊是一個(gè)簡(jiǎn)單的多通道可編程邏輯單元。每個(gè)AOI通道都有A、B、C和D四個(gè)輸入，以及一個(gè)相關(guān)的事件輸出。事件輸出的操作可以根據(jù)這四個(gè)輸入通過軟件配置。AOI通道的輸入和輸出分布在內(nèi)部MCX A外設(shè)以及INPUTMUX中。有了這兩個(gè)外設(shè)，可以使用組合邏輯在不同 外設(shè)之間合成復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)操作。

所有MCX A系列都配備了功能強(qiáng)大的增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問 (eDMA) 控制器。eDMA能夠處理所有典型的DMA應(yīng)用場(chǎng)景，包括內(nèi)存到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)以及外設(shè)到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸。

eDMA系統(tǒng)擁有8個(gè)通道，其觸發(fā)源分布在整個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)中，使幾乎所有內(nèi)部外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸都可以自動(dòng)化。

eDMA系統(tǒng)

全速USB設(shè)備控制器

MCX A系列集成了帶有內(nèi)置PHY的全速USB設(shè)備 (USBFS) 控制器。添加USB功能進(jìn)一步確立了MCX A作為多用途芯片的地位，實(shí)現(xiàn)了與PC和其他智能設(shè)備的低成本、通用連接。

MCX A中USB設(shè)備控制器的一個(gè)重要特性是它可以在無(wú)外部晶振的情況下運(yùn)行。USBFS子系統(tǒng)可以配置為使用快速內(nèi)部參考時(shí)鐘 (FIRC) 生成48MHz時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘可以利用傳入的USB主機(jī)SOF信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

USB時(shí)鐘恢復(fù)功能不僅有助于降低BOM成本，還適用于空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景。USFS還有一些其他有助于整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯著特性，包括：

最多16個(gè)雙向端點(diǎn)，支持復(fù)雜的復(fù)合設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景。

采用DMA傳輸，減少CPU開銷。

通過USBCTRL寄存器中的DPDM_LANE_REVERSE位實(shí)現(xiàn)USB通道/信號(hào)反轉(zhuǎn)，使PCB設(shè)計(jì)人員能夠翻轉(zhuǎn)D+/D-連接，簡(jiǎn)化PCB布線。

具備將內(nèi)部LPUART Tx/Rx信號(hào)轉(zhuǎn)到USB D+/D-線的能力，在UART引腳不可用時(shí)為調(diào)試場(chǎng)景提供便利。

全速USB設(shè)備控制器

本文摘自恩智浦《MCX A系列: 面向嵌入式創(chuàng)新的通用MCU》技術(shù)白皮書，全面介紹MCX A系列的優(yōu)勢(shì)特性。白皮書的其他章節(jié)內(nèi)容如下：

靈活的啟動(dòng)ROM與USB支持

MCX A的USB應(yīng)用場(chǎng)景和軟件示例

開源USB協(xié)議棧替代方案

模擬、模擬電機(jī)控制和工業(yè)連接

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣賦能——CAN FD

MCX A系列與MIPI I3C：I2C的全新進(jìn)化

MCUXpresso開發(fā)者體驗(yàn)帶來(lái)的軟件開發(fā)工具與便利性

使用FRDM開發(fā)板進(jìn)行快速原型設(shè)計(jì)

好東西，小封裝

MCX A是MCX產(chǎn)品組合的重要組成部分，面向電機(jī)控制、傳感和相關(guān)工業(yè)應(yīng)用，同時(shí)具有USB、MIPI I3C、FlexIO和精密電機(jī)控制子系統(tǒng)等獨(dú)特的外設(shè)。

MCX A系列將在2024年及以后進(jìn)行擴(kuò)展，包括包含更多閃存、RAM和在封裝中保留引腳兼容性的新系列和型號(hào)。

本文作者

Eli Hughes是恩智浦專業(yè)支持工程師，為客戶提供恩智浦微控制器和應(yīng)用處理器系列硬件設(shè)計(jì)和固件方面的支持。除了支持工作，他還創(chuàng)作了一些技術(shù)內(nèi)容，展示了恩智浦產(chǎn)品在實(shí)際真實(shí)場(chǎng)景中的應(yīng)用。他借鑒了自己在賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的過往經(jīng)驗(yàn)，在那里他參與了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、機(jī)器人、水下航行器和空間科學(xué)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。他也曾在賓夕法尼亞州立大學(xué)的電氣工程系教授過微控制器、FPGA和電路理論等課程。在業(yè)余時(shí)間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。