Atmel SAM L21系列微控制器：低功耗设计的理想之选

在电子设备不断追求更低功耗、更高性能的今天，Atmel推出的SAM L21系列微控制器凭借其卓越的特性，成为了众多工程师的首选。下面我们就来深入了解一下这款微控制器。

文件下载：ATSAML21J16B-AUT.pdf

一、产品概述

Atmel | SMART SAM L21是一系列超低功耗微控制器，采用32位ARM Cortex - M0+处理器，最高运行频率可达48MHz，每兆赫兹能达到2.46 CoreMark。它有32、48和64引脚封装可选，闪存最大支持256KB，SRAM最大支持40KB。该系列运用了先进的电源管理技术，如电源域门控、SleepWalking、超低功耗外设等，有效降低了电流消耗。其高度可配置的外设中，还包含支持带接近感应的电容式接口的触摸控制器。

二、核心特性

（一）处理器

• 高性能CPU：ARM Cortex - M0+ CPU最高运行频率达48MHz，具备单周期硬件乘法器和微跟踪缓冲区（Micro Trace Buffer），能有效提升数据处理速度。
• 指令兼容性：与前代Cortex - M0核心100%指令集兼容，且向上兼容Cortex - M3和M4核心，方便工程师进行迁移和开发。

（二）存储器

• 多样的闪存配置：提供32/64/128/256KB的片内自编程闪存，还有1/2/4/8KB的闪存读写部分（Flash Read - While - Write section），满足不同存储需求。
• 灵活的SRAM组合：主内存SRAM有4/8/16/32KB可选，低功耗内存SRAM有2/4/8/8KB可选，可根据实际应用场景合理分配内存资源。

（三）系统

• 可靠的复位与检测：具备上电复位（POR）和欠压检测（BOD）功能，保障系统在不同电源环境下的稳定运行。
• 丰富的时钟选项：提供内部和外部时钟选项，可根据实际需求灵活配置，满足不同外设的时钟要求。
• 强大的中断控制：外部中断控制器（EIC）支持16个外部中断和1个不可屏蔽中断，配合两引脚串行线调试（SWD）接口，方便进行程序的编程、测试和调试。

（四）低功耗设计

• 多种睡眠模式：支持空闲（Idle）、待机（Standby）、备份（Backup）和关机（Off）四种睡眠模式，可根据系统不同的工作状态选择合适的模式，降低功耗。
• SleepWalking外设：允许外设根据预定义条件从睡眠中唤醒，仅在需要时唤醒内部操作（如DMA传输和/或CPU），进一步节省功耗。
• 电源管理架构：采用静态和动态电源门控架构，支持电池备份，有两个性能级别可供选择，嵌入式降压/低压差稳压器（Buck/LDO regulator）支持动态选择，有效降低功耗。

（五）外设

• 高效的数据传输：16通道直接内存访问控制器（DMAC）和12通道事件系统，实现高效的数据传输和外设间的协同工作。
• 灵活的定时器：多达五个16位定时器/计数器（TC），包括一个低功耗TC，每个可配置为16位、8位或32位模式；两个24位和一个16位控制定时器/计数器（TCC），具备扩展功能，如多通道比较输出、同步脉冲宽度调制（PWM）模式生成、故障保护等。
• 丰富的通信接口：一个全速（12Mbps）通用串行总线（USB）2.0接口，支持嵌入式主机和设备功能；多达六个串行通信接口（SERCOM），可配置为USART、I2C、SPI、LIN从机等多种模式。
• 强大的模拟功能：一个12位、1MSPS模数转换器（ADC），最多支持20个通道，具备差分和单端输入、自动偏移和增益误差补偿、过采样和抽取功能，可支持13 - 16位分辨率；两个12位、1MSPS双输出数模转换器（DAC）；两个模拟比较器（AC）和三个运算放大器（OPAMP）。
• 触摸控制功能：外设触摸控制器（PTC）支持169通道电容式触摸和接近感应，可在待机模式下实现触摸唤醒。

（六）振荡器

提供多种振荡器选项，包括32.768kHz晶体振荡器（XOSC32K）、0.4 - 32MHz晶体振荡器（XOSC）、32.768kHz内部振荡器（OSC32K）、32.768kHz超低功耗内部振荡器（OSCULP32K）、16/12/8/4MHz高精度内部振荡器（OSC16M）、48MHz数字锁频环（DFLL48M）和96MHz分数数字锁相环（FDPLL96M），满足不同时钟频率的需求。

（七）I/O

最多支持51个可编程I/O引脚，方便与外部设备进行连接和通信，并且易于从SAM D系列进行迁移。

三、不同型号配置对比

SAM L21系列包含SAM L21J、SAM L21G和SAM L21E三个型号，它们在引脚数量、通用I/O引脚数、闪存和SRAM容量、定时器和计数器数量、外设功能等方面存在一定差异。例如，SAM L21J引脚数最多，为64引脚，通用I/O引脚有51个，闪存最大支持256KB；而SAM L21E引脚数最少，为32引脚，通用I/O引脚有25个，闪存最小支持32KB。工程师可以根据具体项目需求选择合适的型号。

四、订购信息

每个型号都有不同的订购代码，对应不同的闪存容量、SRAM容量、封装类型和载体类型。例如，ATSAML21J18B - AUT表示SAM L21J型号，闪存为256K，SRAM为32K，采用TQFP64封装，载体类型为卷带包装。同时，设备变体（订购号的最后一个字母）与芯片版本（DSU.DID.REVISION）相互独立，设备变体表示功能差异，芯片版本标记芯片的演进。

五、处理器与架构

（一）Cortex M0+处理器

• 配置灵活：在Atmel SAM L21中，Cortex M0+处理器的中断、数据字节序、系统定时器、观察点和断点比较器等功能都有特定的配置，如支持29个外部中断、小端字节序、具备系统定时器等。
• 总线接口：拥有32位AMBA - 3 AHB - Lite系统接口和32位I/O端口总线接口，可实现对内存和外设的高效访问，支持单周期I/O访问。

（二）嵌套向量中断控制器（NVIC）

支持32条中断线，有四个不同的优先级级别。每个中断线对应一个外设实例，可通过外设的中断使能寄存器进行中断的开启和关闭。NVIC能对中断进行优先级排序，确保系统对不同优先级的中断进行高效处理。

（三）微跟踪缓冲区（MTB）

为Cortex - M0+处理器提供程序流跟踪功能，MTB SRAM可用于跟踪信息存储和通用存储。其跟踪缓冲区在SRAM中的位置和大小可通过软件配置，符合CoreSight标准。通过MTB，调试器可以提取跟踪信息，重构程序流，方便工程师进行调试和优化。

（四）高速总线系统

• 高速总线矩阵：采用对称交叉开关总线交换实现，支持不同主设备对不同从设备的并发访问，32位数据总线，与总线主设备时钟频率一致，确保数据的高速传输。
• H2LBRIDGE：支持LP时钟分频，具备写缓冲FIFO，可减少总线停顿，在特定条件下可实现超低延迟模式，提高系统性能。

Atmel SAM L21系列微控制器以其低功耗、高性能、丰富的外设和灵活的配置，为电子工程师提供了一个优秀的解决方案。无论是在电池供电的便携设备、工业控制还是智能家居等领域，都能发挥出其独特的优势。你在实际项目中是否使用过类似的微控制器呢？遇到过哪些挑战和问题？欢迎在评论区分享你的经验。