一文讀懂恩智浦MCX A系列: 面向嵌入式創(chuàng)新的通用MCU

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

MCX A系列簡化了供電電路，適用于需要強大輸入輸出 (IO) 能力、有業(yè)界領先低功耗、多樣化連接選項以及更小器件封裝的應用。簡而言之，MCX A系列讓設計人員能夠在保持簡單PCB設計和系統(tǒng)BOM低成本的同時，獲得豐富的功能。

它的應用范圍廣泛，包括:

工業(yè)通信

智能計量

電機控制/電力電子

自動化與控制

傳感器

低功耗/電池供電設備

全面解讀MCX A 系列通用微控制器的優(yōu)勢特性，

MCX A核平臺

A133/143/153系列是MCX A系列的入門級產(chǎn)品，有相同的架構和外設，運行頻率為48MHz和96MHz。

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

A133/143/153系列芯片采用Arm Cortex-M33基準配置，提供多種封裝選項，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，以滿足更具成本效益的應用需求。所有型號還有相同的外設，這大大簡化了軟件開發(fā)工作。

不同封裝類型芯片的IO和引腳完全兼容，這種設計便于產(chǎn)品升級和遷移，使設計人員能夠在成本、閃存空間和時鐘速度之間靈活權衡。多達8個引腳能夠提供20mA的大電流驅動能力，還有額外兩個引腳可以耐受5V的電壓輸入。

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

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

深度睡眠模式下為20.28μA，喚醒時間為7.4μs。

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

深度掉電模式下僅為394nA，喚醒時間為2.36ms。

MCX A133/143/153系統(tǒng)框圖

對于需要更大指令存儲器、RAM、更多IO數(shù)量以及CAN FD功能的應用，MCX A146/156系列是更進一步的選擇。A146/156系列保留了A133/143/153的許多核心特性，同時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核進行了一些其他顯著升級，包括添加了全精度浮點運算單元 (FPU) 和SIMD/DSP指令。SIMD/DSP指令的引入能為需要實時控制和數(shù)字濾波的應用帶來重大性能提升。例如，具備DSP/SIMD功能的Cortex-M33 核擁有強大的SMLAL指令，能夠執(zhí)行32位x32位有符號乘法并進行64位累加。這個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)擴展至最高1MB閃存和128KB RAM。它還增強了模擬功能，新增了一個ADC、12位DAC和內(nèi)置運算放大器。電機控制子系統(tǒng)也得到了擴展，增加了一個額外的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，在保持小巧外形的同時提供更多物理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，喚醒時間為7.1μs (3.3V@25°C)

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

深度掉電模式功耗為412nA，喚醒時間為1.44ms (禁用喚醒定時器，啟用復位引腳，所有SRAM關閉，3.3V@25°C)

MCX A146/156框圖

高性能、堅固耐用的內(nèi)存子系統(tǒng)

MCX A系列的內(nèi)存架構專為要求嚴苛的工業(yè)邊緣應用場景設計，具有兩個值得關注的特性，特別適合成本敏感的設備。

第一個特性是低功耗緩存控制器 (LPCAC)。LPCAC是一個小巧但高效的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，其他外設 (如DMA) 的總線可用性得到了提升，因為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存儲器可重新用作指令存儲器。關鍵代碼和中斷矢量可以放置在該區(qū)域中，用于時間關鍵的算法和控制循環(huán)。

8KB的SRAM扇區(qū)具有錯誤校正 (SRAM ECC) 能力是MCX A內(nèi)存架構的第二個值得關注特性。錯誤報告模塊 (ERM) 和錯誤注入模塊 (EIM) 是與SRAM ECC相關的兩個外設。這些工具可用于測試和診斷運行時內(nèi)存錯誤。ERM通過專用寄存器和中斷標記與ECC和奇偶校驗相關的錯誤事件。EIM可以通過編程方式觸發(fā)ECC/奇偶校驗系統(tǒng)中的錯誤，從而實現(xiàn)強大的自我診斷能力。

標準外設配備精密互連和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準外設陣列。MCX A系列中每個芯片都配備了標準UART、SPI、 I2C和定時器子系統(tǒng)，為傳統(tǒng)IO應用場景奠定了基礎。

MCX A外設的一個重要特點是它們可以通過輸入多路復用模塊 (INPUTMUX) 在芯片內(nèi)部實現(xiàn)信號互連。INPUTMUX機制提供了極大的靈活性，允許在芯片內(nèi)部外設之間自由地互聯(lián)觸發(fā)信號和標志。

MCX A的大部分外設都有觸發(fā)信號和輸入標志，這些都可以由INPUTMUX提供源信號。同樣，INPUTMUX的輸入可以來自外部引腳、外設輸出/事件標志或其他內(nèi)部信號。這種互聯(lián)靈活性極大地擴展了用戶在外設之間的創(chuàng)意組合能力，可以以最小的CPU干預實現(xiàn)自動化操作。

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

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

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

eDMA系統(tǒng)

全速USB設備控制器

MCX A系列集成了帶有內(nèi)置PHY的全速USB設備 (USBFS) 控制器。添加USB功能進一步確立了MCX A作為多用途芯片的地位，實現(xiàn)了與PC和其他智能設備的低成本、通用連接。

MCX A中USB設備控制器的一個重要特性是它可以在無外部晶振的情況下運行。USBFS子系統(tǒng)可以配置為使用快速內(nèi)部參考時鐘 (FIRC) 生成48MHz時鐘。這個時鐘可以利用傳入的USB主機SOF信號動態(tài)調(diào)整。

USB時鐘恢復功能不僅有助于降低BOM成本，還適用于空間受限的應用場景。USFS還有一些其他有助于整體系統(tǒng)設計的顯著特性，包括：

最多16個雙向端點，支持復雜的復合設備應用場景。

采用DMA傳輸，減少CPU開銷。

通過USBCTRL寄存器中的DPDM_LANE_REVERSE位實現(xiàn)USB通道/信號反轉，使PCB設計人員能夠翻轉D+/D-連接，簡化PCB布線。

具備將內(nèi)部LPUART Tx/Rx信號轉到USB D+/D-線的能力，在UART引腳不可用時為調(diào)試場景提供便利。

全速USB設備控制器

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

靈活的啟動ROM與USB支持

MCX A的USB應用場景和軟件示例

開源USB協(xié)議棧替代方案

模擬、模擬電機控制和工業(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的全新進化

MCUXpresso開發(fā)者體驗帶來的軟件開發(fā)工具與便利性

使用FRDM開發(fā)板進行快速原型設計

好東西，小封裝

MCX A是MCX產(chǎn)品組合的重要組成部分，面向電機控制、傳感和相關工業(yè)應用，同時具有USB、MIPI I3C、FlexIO和精密電機控制子系統(tǒng)等獨特的外設。

MCX A系列將在2024年及以后進行擴展，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。

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用處理器系列硬件設計和固件方面的支持。除了支持工作，他還創(chuàng)作了一些技術內(nèi)容，展示了恩智浦產(chǎn)品在實際真實場景中的應用。他借鑒了自己在賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室的過往經(jīng)驗，在那里他參與了嵌入式系統(tǒng)、傳感器、機器人、水下航行器和空間科學等領域的研究和開發(fā)。他也曾在賓夕法尼亞州立大學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)余時間，Eli喜歡彈吉他和玩木工。