Atmel SAM3S系列32位Flash微控制器深度剖析

在当今的电子世界中，高性能、低功耗的微控制器是众多电子设备的核心。Atmel的SAM3S系列32位Flash微控制器，凭借其卓越的性能和丰富的外设，成为了电子工程师们的热门选择。今天，我们就来深入了解一下这款强大的微控制器。

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一、产品概述

SAM3S系列是基于高性能ARM Cortex - M3处理器的32位Flash微控制器家族的一员。它的最高工作频率可达64 MHz，拥有高达256 Kbytes的Flash和48 Kbytes的SRAM。其丰富的外设集包括全速USB设备端口、高速MCI、外部总线接口、多种通信接口以及各类定时器、ADC、DAC和模拟比较器等。此外，借助QTouch库，它还能轻松实现电容式触摸功能。该系列适用于消费、工业控制和PC外设等广泛领域，并且是从SAM7S系列迁移的理想选择，引脚与SAM7S系列兼容。

二、产品特性

2.1 核心特性

• 高性能处理器：采用ARM® Cortex® - M3修订版2.0，运行频率高达64 MHz，具备Thumb® - 2指令集，还有内存保护单元（MPU），能有效保障系统的安全性和稳定性。
• 引脚兼容性：与AT91SAM7S系列（48 - 和64 - 引脚版本）引脚兼容，方便工程师进行产品升级和移植。

2.2 存储特性

• 嵌入式存储器：拥有64 - 256 Kbytes的嵌入式Flash，采用128位宽访问、内存加速器和单平面设计；16 - 48 Kbytes的嵌入式SRAM；16 Kbytes的ROM，包含嵌入式引导加载程序和IAP例程。
• 静态内存控制器：8位静态内存控制器（SMC）支持SRAM、PSRAM、NOR和NAND Flash，还有内存保护单元（MPU）。

2.3 系统特性

• 电源管理：嵌入式电压调节器支持单电源操作，具备上电复位（POR）、欠压检测器（BOD）和看门狗，确保系统安全运行。
• 时钟系统：支持多种振荡器，包括3 - 20 MHz的主电源石英或陶瓷谐振器振荡器、高精度8/12 MHz工厂校准的内部RC振荡器、慢速时钟内部RC振荡器，还有两个高达130 MHz的PLL用于设备时钟和USB。
• 温度传感器：集成温度传感器，可实时监测系统温度。
• DMA通道：多达22个外设DMA（PDC）通道，提高数据传输效率。

2.4 低功耗模式

• 备份模式：可实现极低的功耗，典型电流消耗仅3 μA，适用于需要周期性唤醒执行任务且对启动时间要求不高的系统。
• 等待模式：能在保持设备通电状态下实现极低功耗，启动时间小于10 μs，使用内部电压调节器时典型电流消耗为15 μA，使用外部调节器时为8 μA。
• 睡眠模式：可优化设备的功耗与响应时间，仅停止核心时钟，外设时钟可启用，电流消耗取决于应用。

2.5 外设特性

• 通信接口：具备USB 2.0设备端口、多个USART、UART、TWI、SPI、I2S等通信接口，满足不同的通信需求。
• 定时器与PWM：多个16位定时器/计数器和4通道16位PWM，支持多种模式，可用于电机控制等应用。
• ADC与DAC：15通道、1Msps的ADC和2通道12位1Msps的DAC，可实现高精度的模拟信号处理。
• 其他外设：还有模拟比较器、循环冗余校验计算单元（CRCCU）等。

2.6 I/O特性

• 通用I/O：多达79条I/O线，具备外部中断能力、去抖、毛刺滤波和片上串联电阻端接功能。
• 并行I/O控制器：三个32位并行输入/输出控制器，支持外设DMA辅助的并行捕获模式。

2.7 封装特性

提供多种封装选择，包括100 - 引脚LQFP、100 - 球TFBGA、64 - 引脚LQFP、64 - 引脚QFN、48 - 引脚LQFP和48 - 引脚QFN，满足不同的应用需求。

三、产品配置

SAM3S微控制器在内存大小、封装和功能列表上有所不同。不同型号的Flash、SRAM、定时器计数器通道、GPIO、UART/USART、ADC、12位DAC输出、外部总线接口、HSMCI等配置各有差异，工程师可以根据具体需求进行选择。

四、信号描述

文档详细介绍了各种信号的名称、功能、类型、有效电平、电压参考和注释等信息，包括电源供应信号、时钟和振荡器信号、调试端口信号、Flash存储器信号、复位和测试信号等，为工程师进行电路设计和调试提供了重要参考。

五、封装和引脚排列

不同封装的SAM3S器件有各自的引脚排列方式，如100 - 引脚LQFP、100 - 球TFBGA、64 - 引脚LQFP、64 - 引脚QFN、48 - 引脚LQFP和48 - 引脚QFN等。详细的引脚定义和排列图有助于工程师进行PCB设计和布局。

六、电源考虑

6.1 电源供应

SAM3S产品有多种电源供应引脚，包括VDDCORE、VDDIO、VDDIN和VDDPLL，不同引脚的电压范围不同，以满足不同部分的供电需求。

6.2 电压调节器

内部电压调节器由电源控制器管理，有正常模式和等待模式，不同模式下的静态电流和输出电流不同。在备份模式下，电压调节器消耗小于1 μA。

6.3 典型供电原理图

支持1.62V - 3.6V单电源模式，内部调节器输入连接电源，输出为VDDCORE供电。同时还提供了核心外部供电和使用备份电池的供电方案。

6.4 工作模式

• 活动模式：正常运行模式，核心时钟可由快速RC振荡器、主晶体振荡器或PLLA提供。
• 低功耗模式：包括备份模式、等待模式和睡眠模式，每种模式的功耗和唤醒方式不同，可根据应用需求进行选择。

七、输入/输出线

7.1 通用I/O线

由PIO控制器管理，具有多种输入或输出模式，如上拉或下拉、输入施密特触发器、多驱动、毛刺滤波、去抖或输入变化中断等。还集成了片上终端（ODT），有助于减少信号完整性问题。

7.2 系统I/O线

包括用于振荡器、测试模式、复位和JTAG等的引脚，这些引脚可软件配置为通用I/O或系统引脚，启动时默认使用其默认功能。

7.3 其他特殊引脚

如SWJ - DP引脚用于调试，TST引脚用于测试或快速Flash编程，NRST引脚用于复位，ERASE引脚用于初始化Flash内容。

八、处理器和架构

8.1 ARM Cortex - M3处理器

采用版本2.0的ARM Cortex - M3处理器，具有Thumb - 2指令集、哈佛处理器架构、三级流水线、单周期32位乘法、硬件除法等特性，支持低延迟ISR进入和退出。

8.2 APB/AHB桥

产品嵌入一个外设桥，外设由MCK时钟驱动。

8.3 矩阵主设备和从设备

总线矩阵管理4个主设备和5个从设备，每个主设备有自己的解码器，每个从设备有自己的仲裁器。

8.4 外设DMA控制器

处理外设和存储器之间的数据传输，具有低总线仲裁开销，可根据优先级处理传输请求。

8.5 调试和测试特性

支持对系统中所有内存和寄存器的调试访问，包括Cortex - M3寄存器组，具备多种调试端口和调试单元。

九、存储器

9.1 嵌入式存储器

• 内部SRAM：不同型号的SRAM容量不同，可通过系统Cortex - M3总线访问，位于位带区域。
• 内部ROM：包含SAM Boot Assistant（SAM - BA）、应用内编程例程（IAP）和快速Flash编程接口（FFPI）。
• 嵌入式Flash：不同型号的Flash容量和组织方式不同，由VDDCORE供电，通过增强型嵌入式Flash控制器（EEFC）管理，支持多种操作，还有锁区域、安全位、校准位和唯一标识符等特性。

  9.2 外部存储器

  通过外部总线接口连接外部存储器和并行外设，静态内存控制器支持多种访问模式和设备适应性。

十、系统控制器

10.1 系统控制器和外设映射

系统控制器管理系统的关键元素，如电源、复位、时钟、时间、中断、看门狗等，所有外设都在位带区域和位带别名区域映射。

10.2 电源监控和复位

包括上电复位、欠压检测器和电源监控器，可监测和复位芯片。

10.3 复位控制器

基于上电复位单元和电源监控器，可返回最后一次复位的源，控制内部复位和NRST引脚。

10.4 电源控制器

控制处理器和外设的电源供应，有自己的复位电路和时钟，可设置系统的低功耗模式和唤醒。

10.5 时钟发生器

由多种振荡器和PLL组成，可提供不同频率的时钟信号。

10.6 电源管理控制器

提供系统所需的各种时钟信号，可优化电源消耗。

10.7 其他功能

还包括看门狗定时器、SysTick定时器、实时定时器、实时时钟、通用备份寄存器、嵌套向量中断控制器和芯片识别等功能。

十一、外设

11.1 外设标识符

每个外设都有唯一的标识符，用于控制外设中断和时钟。

11.2 外设信号复用

PIO控制器可对I/O线进行外设信号复用，不同的PIO控制器有不同的复用表。

十二、嵌入式外设概述

12.1 串行外设接口（SPI）

支持与串行外部设备通信，可连接多个外设，具有多种可编程特性。

12.2 两线接口（TWI）

支持主、多主和从模式操作，兼容多种设备，可优化数据传输。

12.3 通用异步接收器收发器（UART）

独立的接收器和发射器，支持多种功能和PDC通道。

12.4 通用同步异步接收器收发器（USART）

支持多种通信模式和功能，如波特率生成、奇偶校验、错误检测等。

12.5 同步串行控制器（SSC）

用于音频和电信应用，提供串行同步通信链接。

12.6 定时器计数器（TC）

六个16位定时器计数器通道，具有多种功能和配置选项。

12.7 脉冲宽度调制控制器（PWM）

四通道16位PWM控制器，具有多种时钟和编程特性，可用于电机控制等。

12.8 高速多媒体卡接口（HSMCI）

兼容多种存储卡规范，支持高速模式和电源管理。

12.9 USB设备端口（UDP）

USB V2.0全速兼容，具有嵌入式收发器和多个端点。

12.10 模数转换器（ADC）

多达16通道，10/12位分辨率，支持多种转换模式和特性。

12.11 数模转换器（DAC）

多达2通道12位DAC，具有多种转换特性和触发源。

12.12 静态内存控制器

支持多种内存访问模式和设备，可配置时序。

12.13 模拟比较器

具有高速和低功耗选项，可选择输入迟滞和输入输出。

12.14 循环冗余校验计算单元（CRCCU）

可自动计算32位循环冗余校验。

十三、封装图纸

文档提供了不同封装的机械图纸和尺寸信息，包括100 - 引脚LQFP、100 - 球TFBGA、64 - 和48 - 引脚LQFP、48 - 引脚QFN和64 - 引脚QFN等，方便工程师进行机械设计和布局。

十四、订购信息

提供了SAM3S系列设备的订购代码，包括不同型号的Flash容量、封装类型、温度工作范围等信息，方便工程师进行采购。

Atmel的SAM3S系列微控制器以其丰富的功能、高性能和低功耗等特性，为电子工程师提供了一个强大而灵活的解决方案。无论是消费电子、工业控制还是PC外设等领域，都能找到适合的应用场景。在实际设计中，工程师需要根据具体需求选择合适的型号和配置，充分发挥其优势，打造出优秀的电子产品。你在使用SAM3S系列微控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。