基于K21系列芯片的硬件设计深度剖析

在硬件设计领域，一款性能卓越、功能丰富的芯片往往能为项目带来质的飞跃。Freescale Semiconductor的K21系列芯片便是这样一款值得深入研究的产品。本文将基于K21P80M50SF4的数据手册，为电子工程师们详细剖析K21系列芯片的特性、应用及设计要点。

文件下载：MK21DN512VLK5.pdf

一、K21系列芯片概述

K21系列芯片支持MK21DX128VLK5、MK21DX256VLK5、MK21DN512VLK5等型号，具备广泛的应用场景。其工作特性、性能、存储、时钟、外设等方面都有出色表现。

1. 工作特性

• 电压范围：芯片的电压范围为1.71至3.6V，闪存写入电压范围同样为1.71至3.6V，可适应多种电源环境。
• 温度范围：环境温度范围为 -40至105°C，能在较为恶劣的环境中稳定工作。

2. 性能表现

芯片采用高达50 MHz的ARM Cortex - M4核心，具备DSP指令，每MHz可提供1.25 Dhrystone MIPS的性能，能满足较高的运算需求。

3. 存储与接口

• 存储容量：无FlexNVM的设备最高支持512 KB的程序闪存，有FlexNVM的设备最高支持256 KB程序闪存，还有64 KB FlexNVM和4 KB FlexRAM，以及最高64 KB的RAM。
• 接口类型：具备串行编程接口（EzPort），方便进行程序烧录。

4. 时钟系统

拥有3至32 MHz晶体振荡器、32 kHz晶体振荡器和多用途时钟发生器，为芯片提供稳定的时钟信号。

5. 系统外设

• 低功耗模式：具备多种低功耗模式，可根据应用需求进行电源优化。
• DMA控制器：16通道DMA控制器，支持多达63个请求源，提高数据传输效率。
• 看门狗：包含外部看门狗监测和软件看门狗，增强系统的稳定性。
• 唤醒单元：低泄漏唤醒单元，可在低功耗状态下快速唤醒系统。

6. 安全与完整性模块

具备硬件CRC模块、篡改检测和安全存储、硬件随机数生成器、硬件加密（支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256算法）以及每芯片128位唯一识别（ID）号，保障系统的安全性。

7. 人机接口

提供通用输入/输出接口，方便与外部设备进行交互。

8. 模拟模块

• ADC：16位SAR ADC，可实现高精度的模拟信号采集。
• 比较器：两个模拟比较器（CMP），包含6位DAC和可编程参考输入。

9. 定时器

具备可编程延迟块、八通道电机控制/通用/PWM定时器、两个2通道通用定时器（其中一个具备正交解码器功能）、周期性中断定时器、16位低功耗定时器、载波调制发射器和实时时钟，可满足各种定时和控制需求。

10. 通信接口

支持USB全/低速On - the - Go控制器（带片上收发器）、USB设备充电器检测、两个SPI模块、两个I2C模块、四个UART模块和I2S模块，方便与各种外部设备进行通信。

二、芯片订购与识别

1. 订购信息

可通过freescale.com网站进行有效订购部件号的查询，搜索PK21和MK21即可获取相关信息。

2. 部件识别

芯片的部件号格式为Q K## A M FFF R T PP CC N，各字段含义如下：	字段	描述	值
Q	资格状态	M（完全合格，通用市场流通）、P（预资格）
K##	Kinetis系列	K21
A	关键属性	D（带DSP的Cortex - M4）、F（带DSP和FPU的Cortex - M4）
M	闪存类型	N（仅程序闪存）、X（程序闪存和FlexMemory）
FFF	程序闪存大小	32（32 KB）、64（64 KB）、128（128 KB）、256（256 KB）、512（512 KB）、1M0（1 MB）、2M0（2 MB）
R	硅片版本	Z（初始）、A（主版本后的修订）、（空白）（主版本）
T	温度范围	V（ - 40至105°C）、C（ - 40至85°C）
PP	封装标识符	FT（48 QFN，7 mm x 7 mm）、LF（48 LQFP，7 mm x 7 mm）等多种选择
CC	最大CPU频率	5（50 MHz）、7（72 MHz）等多种选择
N	封装类型	R（卷带包装）、（空白）（托盘包装）

小封装设备采用特殊标记格式Q ## C F T PP，各字段含义也有相应规定。

三、术语与准则

1. 定义

• 操作要求：为避免芯片错误操作和可能缩短使用寿命，在操作过程中必须保证的技术特性指定值或值范围。
• 操作行为：在满足操作要求和其他指定条件的情况下，操作过程中保证的技术特性指定值或值范围。
• 属性：无论是否满足操作要求，都能保证的技术特性指定值或值范围。
• 额定值：技术特性的最小或最大值，超过该值可能导致芯片永久损坏，分为操作额定值（芯片运行时）和处理额定值（芯片未供电时）。

2. 准则

• 绝不能超过芯片的任何额定值。
• 正常操作期间，不要超过芯片的任何操作要求。
• 若在正常操作以外的时间（如电源排序期间）必须超过操作要求，应尽量限制持续时间。

四、芯片额定值

1. 热处理额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
TSTG	存储温度	-55	150	°C	按JEDEC标准JESD22 - A103确定
TSDR	无铅焊接温度	-	260	°C	按IPC/JEDEC标准J - STD - 020确定

2. 湿度处理额定值

MSL（湿度敏感度等级）为3，按IPC/JEDEC标准J - STD - 020确定。

3. ESD处理额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
VHBM	人体模型静电放电电压	-2000	+2000	V	按JEDEC标准JESD22 - A114确定
VCDM	带电设备模型静电放电电压	-500	+500	V	按JEDEC标准JESD22 - C101确定
ILAT	105°C环境温度下的闩锁电流	-100	+100	mA	按JEDEC标准JESD78确定

4. 电压和电流操作额定值

符号	描述	最小值	最大值	单位
VDD	数字电源电压	-0.3	3.8	V
IDD	数字电源电流	-	155	mA
VDIO	数字输入电压（除RESET、EXTAL和XTAL）	-0.3	-	V
VAIO	模拟输入电压（RESET、EXTAL和XTAL）	-0.3	VDD + 0.3	V
ID	单引脚最大电流限制	-25	25	mA
VDDA	模拟电源电压	VDD - 0.3	VDD + 0.3	V
VUSB0_DP	USB0_DP输入电压	-0.3	3.63	V
VUSB0_DM	USB0_DM输入电压	-0.3	3.63	V
VREGIN	USB调节器输入	-0.3	6.0	V
VBAT	RTC电池电源电压	-0.3	3.8	V

五、通用电气特性

1. AC电气特性

传播延迟从50%到50%点测量，上升和下降时间在20%和80%点测量。

2. 非开关电气规格

电压和电流操作要求

符号	描述	最小值	最大值	单位	备注
VDD	电源电压	1.71	3.6	V	-
VDDA	模拟电源电压	1.71	3.6	V	-
VDD - VDDA	VDD到VDDA的差分电压	-0.1	0.1	V	-
VSS - VSSA	VSS到VSSA的差分电压	-0.1	0.1	V	-
VBAT	RTC电池电源电压	1.71	3.6	V	-
VIH	输入高电压	根据VDD范围不同有不同值	-	V	-
VIL	输入低电压	-	根据VDD范围不同有不同值	V	-
VHYS	输入滞后	0.06 × VDD	-	V	-
IICIO	I/O引脚直流注入电流	-3	+3	mA	模拟引脚有内部钳位
IICcont	相邻引脚直流注入电流区域限制	-25	+25	mA	-
VRAM	保留RAM所需的VDD电压	1.2	-	V	-
VRFVBAT	保留VBAT寄存器文件所需的VBAT电压	VPOR_VBAT - V	-	-	-

LVD和POR操作要求

包含 (V_{DD}) 电源LVD和POR检测电压、低电压警告阈值、滞后电压、带隙电压参考和内部低功率振荡器周期等参数。

电压和电流操作行为

包括输出高/低电压、输出高/低电流、输入泄漏电流、Hi - Z（关态）泄漏电流、内部上拉/下拉电阻等参数。

电源模式转换操作行为

给出了POR事件后执行第一条指令的时间、不同低功耗模式到运行模式的恢复时间等参数。

功耗操作行为

详细列出了不同电源模式下的电流消耗，如运行模式、等待模式、停止模式、极低功耗运行模式等。

EMC辐射发射操作行为

给出了不同频段的辐射发射电压和IEC等级。

电容属性

模拟和数字引脚的输入电容最大值均为7 pF。

3. 开关规格

设备时钟规格

不同模式下（正常运行模式、VLPR模式）的系统、总线、闪存、LPTMR等时钟频率有相应规定。

通用开关规格

包括GPIO引脚中断脉冲宽度、外部复位脉冲宽度、端口上升和下降时间等参数。

4. 热规格

热操作要求

芯片的结温范围为 -40至125°C，环境温度范围为 -40至105°C。

热属性

不同电路板类型（单层、四层）在自然对流和强制对流情况下的热阻以及结到板、结到壳的热阻等参数。

六、外设操作要求和行为

1. 核心模块

JTAG电气特性在有限电压范围和全电压范围下有不同的操作电压、时钟频率、脉冲宽度、数据设置和保持时间等参数。

2. 时钟模块

MCG规格

包括内部参考频率、DCO输出频率、FLL和PLL的相关参数，如频率范围、抖动、锁定时间等。

振荡器电气规格

包括DC电气规格（电源电压、供应电流、负载电容、反馈电阻、串联电阻、振荡幅度等）和频率规格（晶体或谐振器频率、输入时钟频率、占空比、晶体启动时间等）。

32 kHz振荡器电气特性

包括DC电气规格（电源电压、内部反馈电阻、寄生电容、振荡幅度）和频率规格（晶体频率、启动时间、外部输入时钟幅度）。

3. 存储器和存储器接口

闪存电气规格

包括编程和擦除的定时规格（高电压时间）、命令定时规格（读取、编程、擦除等操作的执行时间）、高电压电流行为（编程和擦除时的平均电流）和可靠性规格（数据保留时间、循环耐久性、写入耐久性）。

EzPort开关规格

规定了操作电压、时钟频率、信号设置和保持时间等参数。

4. 安全和完整性模块

关于DryIce篡改电气规格的信息需签署保密协议后获取。

5. 模拟模块

ADC电气规格

16位精度规格在特定差分引脚可实现，给出了操作条件（电源电压、参考电压、输入电压、输入电容、输入电阻、转换时钟频率等）和电气特性（供应电流、异步时钟源、差分和积分非线性、全尺度误差、量化误差、有效位数、信号噪声比等）。

CMP和6 - bit DAC电气规格

包括电源电压、供应电流、模拟输入电压、输入偏移电压、比较器滞后、输出高/低电压、传播延迟、初始化延迟、DAC电流加法器、积分和差分非线性等参数。

6. 定时器

相关规格可参考通用开关规格。

7. 通信接口

USB电气规格

符合通用串行总线实施者论坛的标准，可访问usb.org获取最新标准。

USB DCD电气规格

规定了USB_DP源电压、逻辑高阈值电压、USB_DP源电流、USB_DM吸收电流、D - 下拉电阻和数据检测电压等参数。

VREG电气规格

包括输入电源电压、静态电流、最大负载电流、调节器输出电压、外部输出电容、等效串联电阻和短路电流等参数。

DSPI开关规格

在有限电压范围和全电压范围下，分别给出了主模式和从模式的操作电压、频率、时钟周期、信号延迟、数据设置和保持时间等参数。

I2C和UART开关规格

可参考通用开关规格。

正常运行、等待和停止模式性能

给出了I2S/SAI主模式和从模式在不同电压范围下的时钟周期、脉冲宽度、信号延迟、数据设置和保持时间等参数。

VLPR、VLPW和VLPS模式性能

同样给出了I2S/SAI主模式和从模式在全电压范围下的相关参数。

七、尺寸与引脚

1. 尺寸

可通过freescale.com网站搜索相应文档编号获取80 - pin LQFP等封装的尺寸信息。

2. 引脚

详细列出了K21系列芯片80 LQFP封装的信号复用和引脚分配情况，以及引脚图。

八、总结

K21系列芯片以其丰富的功能、出色的性能和广泛的适用性，为电子工程师们提供了一个强大的硬件平台。在设计过程中，工程师们需要深入理解芯片的各项特性和参数，合理选择工作模式和配置，以确保系统的稳定性、可靠性和性能优化。同时，要严格遵循芯片的操作要求和额定值，避免因操作不当导致芯片损坏。希望本文能为电子工程师们在使用K21系列芯片进行硬件设计时提供有价值的参考。

大家在使用K21系列芯片进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。