RZ/G2UL Group：32&64位MPU的硬件设计与特性详解

在硬件设计领域，RZ/G2UL Group的32 & 64位MPUs（微处理器单元）凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多电子工程师关注的焦点。本文将深入剖析RZ/G2UL Group的硬件特性、电气参数以及使用中的注意事项，为电子工程师们在设计过程中提供全面的参考。

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一、产品概述

1.1 CPU核心

RZ/G2UL Group集成了两个不同类型的CPU核心：

• Cortex - A55：单核，最高运行频率达1.0 GHz，具备L2缓存0 Kbyte，L1 I - cache 32 Kbytes（奇偶校验）/ D - cache 32 Kbytes（ECC），L3缓存256 Kbytes（ECC），支持Arm NEON™ / FPU以及加密扩展，采用Arm v8.2 - A架构。
• Cortex - M33：单核，最高运行频率200 MHz，支持安全扩展，采用Arm v8 - M架构。

1.2 启动模式

提供6种启动模式，包括从eSD、eMMC（1.8 V和3.3 V）、串行闪存（SPI Multi I/O总线空间，1.8 V和3.3 V）以及SCIF下载等方式启动，为不同的应用场景提供了灵活的选择。

1.3 调试接口

支持Arm CoreSight™架构，具备JTAG/SWD接口，每个集群有16 Kbytes的ETF用于程序流跟踪，同时支持JTAG禁用功能。

二、硬件特性

2.1 CPU外设

• 时钟脉冲发生器（CPG）：从外部时钟（EXCLK 24 MHz）生成时钟，最大APB - 总线时钟为100 MHz，支持SSC（扩频时钟），最大Cortex - A55时钟为1.0 GHz，最大Cortex - M33时钟为200 MHz，最大DDR时钟为666 MHz（DDR3L - 1333）、800 MHz（DDR4 - 1600），最大AXI - 总线时钟为200 MHz。
• 直接内存访问控制器（DMAC）：有2个模块，每个模块16个通道，支持片上外设请求和自动请求（软件触发），可指定特定的DMA传输间隔以调整总线占用率，支持LINK模式，传输信息可自动重载。
• 中断控制器：为Cortex - A55配备Arm® CoreLink™通用中断控制器（GIC - 600），为Cortex - M33配备嵌套向量中断控制器（NVIC），还有外部中断引脚和片上外设中断，每个模块可设置优先级。
• 消息处理单元（MHU）：实现Cortex - A55和Cortex - M33之间的消息处理功能，可断言中断以通知消息和响应。
• 通用I/O（GPIO）：提供通用I/O端口。
• 热传感器单元（TSU）：有1个通道。

2.2 内存接口

• 片上RAM：拥有128 Kbytes（ECC）的RAM。
• 外部内存接口：支持DDR3L - 1333 / DDR4 - 1600，总线宽度为16位，支持在线ECC（支持错误检测中断），内存大小可达4 Gbytes，支持自动刷新，使用TZC - 400对安全区域进行内存访问保护（支持Arm® TrustZone®）；SPI Multi I/O总线控制器有1个通道（4位双数据速率），可连接1个具有多I/O总线大小（单/四）的串行闪存，支持外部地址空间读取模式（内置读取缓存），SPI操作模式下，最大时钟频率为50 MHz（Quad - SPI DDR）、66 MHz（Quad - SPI SDR）；SD卡主机接口有2个通道，通道0支持SDHI / e - MMC（支持启动），通道1支持SDHI，支持SD、SDHC和SDXC SD存储卡访问，符合SD 3.0，支持默认、高速、UHS - I/SDR50、SDR104传输模式，具备错误检查功能和卡检测功能；多媒体卡接口有1个通道（与SDHI共享），支持e - MMC设备访问，符合eMMC 4.51，支持高速、HS200传输模式。

2.3 视频和图形处理

• 图像缩放单元（ISU）：具备双线性插值的缩放功能，输入图像最大尺寸为5M（2800 × 2047），输出图像最大尺寸为全高清（1920 × 1080），支持颜色格式转换，包括RGB / ARGB / YcbCr422 / YcbCr420 / RAW（灰度）。

2.4 相机和显示接口

• 相机接口：MIPI CSI - 2接口有1个通道，支持1 - / 2 - / 4 - 通道，支持5MP、30 fps（RAW12），最大带宽为1.5 Gbps每通道，可从4个VC（虚拟通道）中选择1个VC，支持多种输入图像数据格式。MIPI CSI - 2到AXI桥接模块支持图像裁剪、帧采样、LUT、颜色格式转换、颜色空间转换、去马赛克、线性矩阵和统计等图像处理功能，支持多种颜色格式。
• 显示接口：LCD控制器有1个通道（并行输出），支持2个平面混合（可混合2个不同尺寸的图像），支持抖动处理（RGB666）、裁剪、RGB伽马校正LUT等图像处理功能，支持多种输入数据格式；并行输出接口有1个通道，支持WXGA（1280 × 800）、60 fps，支持RGB666 / RGB888输出数据格式，支持CLK / HD / VD定时信号。

2.5 其他接口

• 声音接口：RZ/G2UL (Type - 1)有4个通道双向串行传输，RZ/G2UL (Type - 2)有3个通道双向串行传输，有2个外部时钟源，支持I2S / 单声道 / TDM音频格式，支持主从功能，支持8、16、18、20、22、24和32位数据格式，可生成可编程字时钟和位时钟，支持多通道格式，支持32级FIFO用于传输和接收，支持LR - 时钟连续功能。
• 存储和网络接口：USB2.0有2个通道（ch0：主机 - 功能，ch1：仅主机），符合USB2.0，支持On - The - Go（OTG）功能和电池充电功能，有内部专用DMA；千兆以太网接口（GbE），RZ/G2UL (Type - 1)有2个通道，RZ/G2UL (Type - 2)有1个通道，支持1000 Mbps、100 Mbps和10 Mbps传输，支持以太网帧过滤，支持符合IEEE802.3 PHY RGMII（简化千兆媒体独立接口）和IEEE802.3 PHY MII（媒体独立接口）的接口；CANFD接口（RS - CANFD）有2个通道，符合ISO 11898 - 1（2003）和CAN - FD ISO 11898 - 1（CD2014），有消息缓冲区。
• 定时器：多功能定时器脉冲单元3（MTU3a），RZ/G2UL (Type - 1)有9个通道（16位×8通道，32位×1通道），RZ/G2UL (Type - 2)有8个通道（16位×7通道，32位×1通道），模块时钟频率（P0ϕ）为100 MHz，有多种计数时钟可选，具备输入捕获功能、39个输出比较和输入捕获寄存器，支持计数器清除操作、同步输入/输出、多个定时器计数器同时写入、缓冲操作、级联连接操作，有43种中断源，支持脉冲输出模式、寄存器数据自动传输、多个计数器同步、多种PWM模式和相位计数模式，具备死区补偿计数器功能和数字滤波功能；端口输出使能3（POE3）有2个通道；看门狗定时器（WDT）有32位×3个通道，有两种操作模式；通用定时器（GTM）有间隔定时器模式和自由运行比较模式。
• 外设模块：I2C总线接口有4个通道（ch0,1 = 专用引脚，ch2,3 = 复用引脚），支持主模式和从模式，支持7位和10位从地址格式，支持多主操作，具备超时检测功能；串行通信接口带FIFO（SCIFA），RZ/G2UL (Type - 1)有5个通道，RZ/G2UL (Type - 2)有4个通道，可选择时钟同步模式或异步模式，支持同时传输和接收（全双工通信），有专用波特率发生器，有独立的16字节FIFO寄存器用于传输和接收，具备调制解调器控制功能；串行通信接口（SCIg）有2个通道，可选择时钟同步模式、异步模式或智能卡接口模式，支持同时传输和接收（全双工通信），有专用波特率发生器，可选择LSB优先/ MSB优先，具备调制解调器控制功能，通道0支持IrDA通信波形的编码和解码；Renesas串行外设接口（RSPI）有3个通道，支持SPI操作，支持主模式和从模式，可编程位长度、时钟极性和时钟相位，可连续传输，可选择LSB优先/ MSB优先。
• 安全功能：可信安全IP（TSIP）可选，支持通用密钥加密（AES）、非通用密钥加密（RSA、ECC），具备TRNG（真随机数生成器）和唯一ID支持；一次性可编程内存（OTP）是一种非易失性内存，只能写入一次，可进行安全设置和认证设置，支持一次性读取功能（128字节）。
• 模拟功能：A/D转换器（ADC）有2个通道，分辨率为12位，输入范围为0 V ~ 1.8 V，转换时间为1 µs，操作模式有单扫描/连续扫描，转换模式有单模式/重复模式，A/D转换启动条件包括软件触发、异步触发（外部触发）和同步触发（MTU定时器）。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

对不同电源电压（如3.3 V、1.8 V、1.1 V等）、输入电压、工作温度、结温以及存储温度等都有明确的限制范围，使用时需严格遵守，以确保芯片的安全运行。

3.2 电源供应

详细规定了各种电源电压的范围，包括不同工作模式下的最小值、典型值和最大值，如DDR电源电压在使用DDR4时为1.14 - 1.26 V，使用DDR3L时为1.283 - 1.45 V等。

3.3 电源开启/关闭顺序

明确了各电源的开启和关闭顺序，如先开启1.1 V电源，再开启3.3 V电源；DDR IO电源应与1.1 V电源同时或之后开启；从首次电源上升开始到最后一次电源上升结束必须在100 ms内；电源关闭顺序与开启顺序相反；PRST#应在3.3 V电源开启、输入时钟稳定1 µs后从低电平变为高电平。

3.4 DC特性

对不同电压等级的I/O接口（如3.3 - V I/O、1.8 - V I/O等）的高电平输入电压、低电平输入电压、输出逻辑高电压、输出逻辑低电压、输入滞后电压等参数进行了详细规定，为电路设计提供了精确的电气参数参考。

3.5 AC特性

• 时钟定时：规定了EXCLK、AUDIO_CLK1和AUDIO_CLK2等时钟的输入频率、周期时间、高低电平脉冲宽度、上升时间和下降时间等参数，以及振荡器稳定时间、模式保持时间和模式设置时间等。
• 各种接口访问定时：包括SDHI、eMMC、LCDC、USB 2.0、以太网接口、JTAG调试器接口、SPI Multi I/O总线控制器、控制信号、串行声音接口、CAN - FD接口、多功能定时器脉冲单元3、端口输出使能3、I2C总线接口、串行通信接口带FIFO、串行通信接口、Renesas串行外设接口、A/D转换器和看门狗定时器等接口的访问定时参数，确保了各接口在不同工作模式下的稳定运行。

四、产品阵容

RZ/G2UL Group有Type - 1和Type - 2两种类型，均采用13 mm BGA封装，部分产品支持安全功能，包括加密扩展、可信安全IP、Trust Zone、HW密钥保护、真随机数生成器和可信执行环境等。

五、使用注意事项

5.1 静电放电防护

CMOS器件容易受到静电影响，应采取措施尽量减少静电产生，如使用加湿器、避免使用易产生静电的绝缘体，将半导体器件存储和运输在防静电容器、静电屏蔽袋或导电材料中，测试和测量工具及工作台、地板应接地，操作人员应佩戴腕带，避免用裸手触摸半导体器件，对装有半导体器件的印刷电路板也应采取类似防护措施。

5.2 上电处理

上电时产品状态未定义，内部电路状态不确定，寄存器设置和引脚状态未定义。在施加外部复位信号的成品中，从上电到复位过程完成期间，引脚状态无法保证；通过片上上电复位功能复位的产品，从上电到电源达到指定复位水平期间，引脚状态也无法保证。

5.3 掉电状态下信号输入

掉电时不要输入信号或I/O上拉电源，否则可能导致设备故障和内部元件损坏，应遵循产品文档中关于掉电状态下输入信号的指导。

5.4 未使用引脚处理

应按照手册中关于未使用引脚的处理说明进行操作，CMOS产品的输入引脚通常处于高阻抗状态，未使用引脚处于开路状态时，可能会在LSI附近感应额外的电磁噪声，导致内部产生直通电流，甚至因引脚状态误识别为输入信号而发生故障。

5.5 时钟信号处理

复位后，应在操作时钟信号稳定后再释放复位线；程序执行期间切换时钟信号时，应等待目标时钟信号稳定；使用外部谐振器或外部振荡器生成时钟信号时，在时钟信号完全稳定后再释放复位线。

5.6 输入引脚电压波形

输入噪声或反射波导致的波形失真可能引起故障，例如CMOS器件输入因噪声停留在(V{IL})（Max.）和(V{IH})（Min.）之间时，设备可能会出现故障。应注意防止输入电平固定时的抖动噪声进入设备，以及输入电平在(V{IL})（Max.）和(V{IH})（Min.）之间过渡时的问题。

5.7 禁止访问保留地址

保留地址用于未来功能扩展，访问这些地址不能保证LSI的正确运行，应避免访问。

5.8 产品差异

更换不同型号的产品时，应确认是否会出现问题。同一组但不同型号的微处理器或微控制器产品在内部内存容量、布局模式等方面可能存在差异，会影响电气特性范围，如特征值、工作裕度、抗噪声能力和辐射噪声量等，更换产品时应进行系统评估测试。

RZ/G2UL Group以其丰富的功能和出色的性能，为电子工程师在硬件设计中提供了强大的支持。但在使用过程中，必须严格遵循其电气特性和使用注意事项，以确保产品的稳定性和可靠性。你在使用RZ/G2UL Group进行设计时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。