Freescale K70家族MCU：高性能与低功耗的完美融合

在电子工程师的世界里，选择一款合适的微控制器（MCU）对于项目的成功至关重要。Freescale的K70家族MCU以其卓越的性能、丰富的功能和低功耗特性，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下Freescale K70家族MCU的魅力所在。

文件下载：PK70FN1M0VMJ15.pdf

一、Kinetis产品组合概述

Kinetis是业界最具扩展性的低功耗、混合信号ARM® Cortex™ - M4 MCU产品组合。该组合的第一阶段包括五个MCU家族，超过200种引脚、外设和软件兼容的设备。每个家族都提供出色的性能、内存和功能扩展性，具有通用的外设、内存映射和封装，便于在家族内部和家族之间进行轻松迁移。

Kinetis MCU采用了Freescale创新的90nm薄膜存储（TFS）闪存技术，具有独特的FlexMemory。它结合了最新的低功耗创新和高性能、高精度混合信号能力，拥有广泛的连接性、人机界面以及安全与保障外设。同时，Kinetis MCU得到了Freescale市场领先的支持包以及众多ARM第三方生态系统合作伙伴的支持。

二、K70家族简介

K70 MCU家族集成了图形LCD控制器、IEEE® 1588以太网MAC、全速和高速USB 2.0 On - The - Go（OTG）以及设备充电器检测功能、硬件加密和篡改检测功能。它有512 KB或1 MB的闪存，采用196 - 和256 - 引脚的MAPBGA封装。每个MCU都包含丰富的模拟、通信、定时和控制外设，所有K70家族设备都配备了单精度浮点单元和NAND闪存控制器，256引脚版本还包括片上DRAM控制器，可用于系统扩展。

三、K70功能剖析

（一）通用特性

1. 核心特性：采用下一代32位ARM Cortex - M4核心，支持DSP指令，具备单精度浮点单元（FPU），拥有嵌套向量中断控制器（NVIC）、异步唤醒中断控制器（AWIC）等，还具备强大的调试和跟踪能力。
2. 系统和电源管理：配备软件和硬件看门狗，带有外部监控引脚；拥有DMA控制器、低泄漏唤醒单元（LLWU）和具有10种不同电源模式的电源管理控制器；每个芯片还有128位唯一识别（ID）号。
3. 时钟：具有多用途时钟发生器，支持PLL和FLL操作，有内部参考时钟、多种晶体振荡器和外部方波输入时钟。
4. 内存和内存接口：FlexMemory由FlexNVM（非易失性闪存，可执行程序代码、存储数据或备份EEPROM数据）和FlexRAM（可作为传统RAM或高耐久性EEPROM存储，还能加速闪存编程）组成；具备闪存安全和保护功能、串行闪存编程接口（EzPort）、DDR控制器和NAND闪存控制器。
5. 安全和完整性：包含循环冗余校验（CRC）、篡改检测和硬件加密功能。
6. 模拟：有16位SAR ADC、可编程电压参考（VREF）、12位DAC和高速模拟比较器（CMP）。
7. 定时器：包括多种类型的定时器，如电机控制/通用/PWM灵活定时器（FTM）、正交解码器/通用/PWM灵活定时器（FTM）、载波调制器定时器（CMT）等。
8. 通信：支持以太网（IEEE 1588）、I2C（SMBUS）、UART（ISO7816、IrDA和硬件流控制）、USB OTG（HS/FS/LS）、CAN和SPI等通信接口。
9. 人机界面：具备GPIO（带引脚中断支持、DMA请求能力等）、电容式触摸感应输入、5V容忍输入和图形LCD控制器（支持高达800 x 600分辨率）。

（二）FlexMemory技术

Freescale的FlexMemory技术为寻求片上EEPROM和/或额外程序或数据闪存的设计师提供了极其通用和强大的解决方案。它具有以下特点：

1. 可配置性：设计师可以配置EEPROM阵列大小和写/擦除周期数、程序或数据闪存大小。
2. 高耐久性：EEPROM在全电压和温度范围内可实现1000万次写/擦除周期。
3. 无缝读写操作：可以简单地对内存地址进行读写操作。
4. 高速操作：支持高速字节、16位和32位写/擦除操作。
5. 降低成本：消除了外部EEPROM IC的成本，以及EEPROM仿真方案带来的软件问题和资源（CPU/闪存/RAM）影响。
6. 数据存储：可用于存储大型数据表或引导加载程序。
7. 读 - 写同时操作：可与主程序闪存进行读 - 写同时操作，最低写入电压为1.71V。

（三）不同性能等级的K70家族特性

K70家族根据性能分为120MHz和150MHz两个等级，不同等级的部分型号在内存、接口、核心模块、系统模块、时钟模块、安全和完整性、模拟、定时器、通信接口和人机界面等方面的特性基本一致，但在一些细节上可能会有所差异，如DDR控制器在部分256引脚型号中才具备。

（四）各模块特性

1. 核心模块
   • ARM Cortex - M4 Core：支持高达150 MHz频率，基于ARMv7架构和Thumb® - 2 ISA，具有哈佛总线架构、3级流水线和分支推测等特性，集成了数字信号处理器（DSP）和可选的单精度浮点单元（SPFPU）。
   • Nested Vectored Interrupt Controller（NVIC）：与Cortex - M4核心的哈佛架构紧密耦合，支持高达120个中断源，具有16级优先级，支持中断嵌套和可重定位向量表。
   • Wake - up Interrupt Controller（WIC）：在低功耗模式下支持中断处理，在进入深度睡眠时接管并模拟NVIC行为。
   • Debug Controller：包括Serial Wire JTAG Debug Port（SWJ - DP）、Debug Watchpoint and Trace（DWT）、Instrumentation Trace Macrocell（ITM）、Embedded Trace Macrocell（ETM）、CoreSight™ Embedded Trace Buffer（ETB）、Test Port Interface Unit（TPIU）和Flash Patch and Breakpoints（FPB）等，提供强大的调试和跟踪功能。
2. 系统模块
   • Power Management Control Unit（PMC）：提供独立的数字和模拟电源输出，支持可编程节能模式，可通过RTC和外部输入从节能模式唤醒，集成了上电复位（POR）、低压检测（LVD）等功能。
   • DMA Channel Multiplexer（DMA MUX）：有16个独立可选择的DMA通道路由器和4个周期性触发源。
   • DMA Controller：最多有32个完全可编程通道，支持双地址传输，具备多种地址模式和通道仲裁方式。
   • Watchdog Timer（WDOG）：具有独立的可配置时钟源输入、可编程超时周期等功能。
   • External Watchdog Monitor（EWM）：使用独立的1 kHz LPO时钟源，输出信号可控制外部电路。
   • System Clocks：包括频率锁定环（FLL）、数字控制振荡器（DCO）、锁相环（PLL）等，提供多种时钟源选项和时钟调节功能。
3. 内存和内存接口
   • On - Chip Memory：不同性能等级的设备在程序闪存、Flexmemory、SRAM和缓存方面的配置基本一致，还具备安全电路防止未经授权的访问。
   • External Bus Interface（FlexBus）：有六个独立的用户可编程芯片选择信号，支持高达2 GB的可寻址空间，可与多种外部设备接口。
   • Serial Programming Interface（EzPort）：与行业标准SPI闪存存储器使用相同的串行接口和部分命令集，可进行闪存的读写和擦除操作。
   • DDR Controller：支持与LPDDR、DDR和DDR2 DRAM设备的无缝接口，具备多种内存配置和操作模式。
   • NAND Flash Controller：支持8 - 和16 - 位NAND闪存接口，具有9 KB RAM缓冲，支持多种NAND闪存产品和相关命令，集成了DMA引擎和可选的ECC模式。
4. 安全和完整性
   • Cyclic Redundancy Check（CRC）：使用16/32位移位寄存器的硬件CRC生成电路，可检测多种错误，具有可编程的生成多项式和初始种子值。
   • Hardware Cryptographic Acceleration Unit（CAU）：支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256等算法。
   • Random Number Generator（RNG）：支持数字签名标准中定义的密钥生成算法，集成了熵源。
   • Tamper Detect：包括模拟、外部、主动线网和内部篡改检测，具备多种监测功能和安全存储机制。
5. 模拟
   • 16 - bit Analog - to - Digital Converter（ADC）：采用线性逐次逼近算法，具有多种输出模式、转换模式和配置选项，支持低功耗模式和异步时钟源。
   • High - Speed Analog Comparator（CMP）：有6位DAC可编程参考发生器输出，支持多种比较输入和中断模式，具备两种性能模式。
   • 12 - Bit Digital - to - Analog Converter（DAC）：具有12位分辨率，支持高速和低速转换，具备多种操作模式和DMA支持。
   • Voltage Reference（VREF）：具有可编程的微调寄存器和多种模式选择，输出1.2V电压。
6. 定时器
   • Programmable Delay Block（PDB）：有多达15个触发输入源和软件触发源，可用于ADC硬件触发，支持多种操作模式和DMA支持。
   • FlexTimers（FTM）：可选择FTM源时钟，支持多种操作模式和功能，如输入捕获、输出比较、PWM模式等，具备硬件触发和DMA支持。
   • Programmable Interrupt Timers（PIT）：最多有4个通用中断定时器和4个用于触发ADC转换的中断定时器，具备32位计数器分辨率和DMA支持。
   • Low Power Timer：可作为定时器或脉冲计数器，支持多种时钟源和配置选项，可产生中断和硬件触发。
   • Carrier Modulator Timer（CMT）：有四种操作模式，可独立控制高低时间，支持多种输入时钟分频和中断功能。
   • Real - Time Clock（RTC）：具有独立的电源、POR和32 kHz晶体振荡器，可在检测到篡改时失效，具备32位秒计数器和32位闹钟，支持寄存器写保护。
7. 通信接口
   • 10/100Mbps Ethernet MAC：支持10/100 BaseT/TX，具备IEEE 1588硬件支持，支持MII和RMII接口，集成了DMA和FIFO，支持多种时钟源选项和唤醒功能。
   • USB On - The - Go Module（FS/LS）：符合USB 2.0规范，支持主机和设备模式，具备低功耗模式和远程唤醒功能，集成了全速和低速收发器。
   • USB Device Charger Detect（USBDCD）：与多种电源系统兼容，支持可编程事件定时器，符合最新的USB电池充电规范。
   • USB Voltage Regulator：输入5V，输出3.3V，可为片上USB收发器和外部板组件供电，消除了外部LDO的成本。
   • USB On - The - Go Module（HS/FS/LS）：符合USB 2.0规范，支持主机和设备模式，通过外部ULPI收发器实现HS/FS/LS操作，具备低功耗模式和远程唤醒功能。
   • CAN Module：支持CAN规范版本2.0 Part B，具备多种帧格式、可编程比特率、灵活的消息缓冲区和时间戳功能。
   • Serial Peripheral Interface（SPI）：支持主从模式，全双工三线同步传输，具备多种配置选项和DMA支持。
   • Inter - Integrated Circuit（I2C）：兼容I2C总线标准和SMBus规范，支持多主操作，具备多种功能和中断模式。
   • UART：支持ISO 7816协议，具备全双工操作、多种数据格式和配置选项，支持中断或DMA驱动操作。
   • Secure Digital Host Controller（SDHC）：兼容多种SD和MMC规范，支持多种数据传输模式和功能，具备内部DMA能力。
   • Synchronous Serial Interface（I2S）：支持独立或共享的收发部分，具备多种操作模式和可编程数据接口模式，支持AC97。
8. 人机界面
   • General Purpose Input/Output（GPIO）：可编程毛刺滤波器和中断，具备滞后和可配置的上拉/下拉设备，可配置摆率和驱动强度，可读取数字引脚的逻辑电平，部分设备具备5V容忍能力。
   • Touch Sensor Input（TSI）：有16个通道输入，支持多达16个独立触摸按钮，可组合成滑块，支持低功耗模式下的唤醒功能。
   • Touchscreen Controller：支持多种触摸屏配置，具备笔按下检测电路，与片上16位SAR ADC接口，提供数据就绪和FIFO满中断。
   • Graphic LCD controller：支持单屏单色/彩色LCD面板和自刷新型LCD面板，支持多种像素格式和最大800 x 600像素的面板尺寸。

四、电源模式

K70的电源管理控制器（PMC）提供了10种不同的操作模式，包括运行、等待和停止模式，以及各种低功耗模式，如VLPR、VLPW、VLPS、LLS、VLLS3、VLLS2、VLLS1和BAT模式。用户可以根据应用的功能需求优化功耗，在不同模式下，芯片的核心状态、外设时钟和电源供应情况有所不同，通过相应的指令和中断可以实现模式的切换和恢复。

五、开发环境

（一）Freescale的Tower系统支持

Freescale的Tower系统是一个模块化的开发平台，适用于8位、16位和32位微控制器，通过快速原型设计实现高级开发。它具有多个开发板或模块，为设计师提供了从入门级到高级微控制器开发的构建块。Kinetis家族有相应的Tower模块可供选择，如K40、K60和K53家族的MCU模块。

（二）CodeWarrior开发工作室

Freescale的CodeWarrior开发工作室v10.x将RS08、HCS08、ARM和ColdFire架构的开发工具集成到基于Eclipse开放开发平台的单一产品中。它具有MCU变更向导、Freescale处理器专家等特色功能，提供了强大的编译、调试和代码生成能力。

（三）Freescale的MQX™软件解决方案

Freescale提供MQX实时操作系统（RTOS），以及TCP/IP和USB软件栈和外设驱动，免费提供给ARM、ColdFire和ColdFire + MCU的客户。MQX RTOS具有小内存占用、基于组件的架构、实时优先级抢占式多线程、快速启动序列等优点，还提供了可定制的组件集。

（四）其他软件栈

还提供了数学、DSP和加密库、电机控制库、触摸感应软件套件、免费的引导加载程序、免费的嵌入式GUI、免费的MQX™ RTOS、USB、TCP/IP栈和MFS文件系统，以及低成本的Nano™ SSL/Nano™ SSH等软件栈，同时还拥有完整的ARM®生态系统。

总的来说，Freescale K70家族MCU凭借其丰富的功能、高性能和低功耗特性，以及完善的开发环境，为电子工程师提供了一个强大而可靠的解决方案。无论是工业控制、消费电子还是物联网等领域，K70都能发挥出其独特的优势。你在使用K70家族MCU的过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。