NuMicro™ NUC100：工业控制领域的32位微控制器解决方案

在工业控制和需要丰富通信接口的应用领域，32位微控制器发挥着至关重要的作用。今天，我们就来深入了解一下Nuvoton Technology Corporation推出的NuMicro™ NUC100系列32位微控制器。

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一、总体概述

NuMicro™ NUC100系列采用了ARM® Cortex™ - M0内核，为工业控制和相关应用提供了强大的支持。Cortex™ - M0作为ARM®最新的嵌入式处理器，具备32位性能，成本却与传统8位微控制器相当。该系列包含NUC100、NUC120、NUC130和NUC140等产品线，不同产品线在通信接口支持上有所差异，例如在UART、SPI、I2C、USB、LIN、CAN、PS/2、I2S等接口的支持情况各有不同。

二、产品特性

（一）核心特性

• 高性能内核：ARM® Cortex™ - M0核心运行频率高达50 MHz，配备24位系统定时器，支持低功耗睡眠模式，拥有单周期32位硬件乘法器，以及支持32个中断输入且每个中断有4级优先级的NVIC，还支持带有2个观察点/4个断点的串行线调试。
• 宽电压范围：内置LDO，可支持2.5 V至5.5 V的宽工作电压范围。

（二）存储特性

• 闪存：具备32K/64K/128K字节的程序代码闪存（128KB仅在NuMicro™ NUC100/NUC120中密度产品中支持），4KB的ISP加载器闪存，支持系统内编程（ISP）更新应用代码，支持512字节页擦除，可配置128KB系统的数据闪存地址和大小，32KB和64KB系统的数据闪存固定为4KB，还支持通过SWD/ICE接口进行2线ICP更新以及外部编程器的快速并行编程模式。
• SRAM：拥有4K/8K/16K字节的嵌入式SRAM（16KB仅在NuMicro™ NUC100/NUC120中密度产品中支持），并支持PDMA模式。

（三）时钟控制特性

• 灵活的时钟源：提供多种时钟源选择，包括内置的22.1184 MHz高速振荡器（在+25 °C和(V{DD}=5 V)时可校准至±1 %，在 - 40 °C ~ +85 °C和(V{DD}=2.5 V ~ 5.5 V)时可校准至± 3 %）、10 kHz低速振荡器（用于看门狗定时器和唤醒操作），支持一个高达50 MHz的PLL用于高性能系统操作，还可外接4 ~ 24 MHz高速晶体用于精确计时操作，外接32.768 kHz低速晶体用于RTC功能和低功耗系统操作。

（四）外设特性

• GPIO：具有四种I/O模式，包括准双向、推挽输出、开漏输出和高阻抗输入，可选择TTL/施密特触发器输入，I/O引脚可配置为具有边沿/电平设置的中断源，支持高驱动和高灌电流IO模式。
• 定时器：支持4组32位定时器，每个定时器有独立的时钟源，提供单次、周期性、翻转和连续计数操作模式（中密度产品仅支持单次和周期性模式），低密度产品还支持事件计数功能。
• 看门狗定时器：具有多个时钟源，有8种可选的超时周期（从1.6ms ~ 26.0sec，取决于时钟源），可从掉电或空闲模式唤醒，在看门狗超时时可选择中断或复位。
• RTC：支持通过设置频率补偿寄存器（FCR）进行软件补偿，支持RTC计数器（秒、分、小时）和日历计数器（日、月、年），支持闹钟寄存器（秒、分、小时、日、月、年），可选择12小时或24小时模式，能自动识别闰年，支持8种周期选项的周期性时间滴答中断，还支持唤醒功能。
• PWM/捕获：内置多达四个16位PWM发生器，可提供八个PWM输出或四个互补配对PWM输出，每个PWM发生器配备时钟源选择器、时钟分频器、8位预分频器和死区发生器；多达八个16位数字捕获定时器（与PWM定时器共享）提供八个上升/下降捕获输入，支持捕获中断。
• UART：中密度产品最多提供三个UART控制器，低密度产品仅支持2个UART控制器，UART端口具有流控制功能，UART0具有63字节FIFO用于高速通信，UART1/2（可选）具有15字节FIFO用于标准设备，支持IrDA（SIR）功能和RS - 485 9位模式及方向控制（仅低密度产品支持），可编程波特率发生器最高可达1/16系统时钟，支持PDMA模式。
• SPI：中密度产品最多包含四组SPI控制器，低密度产品仅支持2组SPI控制器，主模式最高可达16 MHz，从模式最高可达10 MHz（芯片工作在5V时），支持SPI主/从模式，全双工同步串行数据传输，传输数据长度可变（1至32位），可选择MSB或LSB先传输，接收和发送可独立在串行时钟的上升或下降沿进行，主模式有2个从设备选择线，从模式有1个从设备选择线，支持32位传输中的字节暂停模式，支持PDMA模式。
• I2C：最多有两组I2C设备，支持主/从模式，主从之间可进行双向数据传输，是多主总线（无中央主设备），能在同时传输的主设备之间进行仲裁而不损坏总线上的串行数据，支持串行时钟同步，可编程时钟允许灵活的速率控制，支持多地址识别（四个从地址带掩码选项）。
• I2S：可与外部音频编解码器接口，可作为主或从模式运行，能够处理8 - 32位字大小，支持单声道和立体声音频数据，支持I2S和MSB对齐数据格式，提供两个8字FIFO数据缓冲区（一个用于发送，一个用于接收），当缓冲区级别超过可编程边界时会生成中断请求，支持两个DMA请求（一个用于发送，一个用于接收）。
• PS/2设备控制器：具备主机通信禁止和请求发送检测功能，可检测接收帧错误，可编程1至16字节的发送缓冲区以减少CPU干预，具有数据接收的双缓冲区，支持软件覆盖总线。
• EBI（外部总线接口）：仅NuMicro™ NUC100/NUC120低密度64引脚封装支持，可访问空间为8位模式下64KB或16位模式下128KB，支持8/16位数据宽度，支持16位数据宽度模式下的字节写入。
• ADC：具有12位SAR ADC，采样率可达600K SPS，最多支持8通道单端输入或4通道差分输入，支持单扫描/单周期扫描/连续扫描，每个通道有独立的结果寄存器，可进行阈值电压检测，可通过软件编程或外部输入启动转换，支持PDMA模式。
• 模拟比较器：最多有两个模拟比较器，负节点可选择外部输入或内部带隙电压，比较结果变化时产生中断，支持掉电唤醒。
• 其他特性：内置温度传感器，分辨率为1℃，具有4级（4.5 V/3.8 V/2.7 V/2.2 V）的欠压检测器，支持欠压中断和复位选项，低电压复位阈值电压为2.0 V，工作温度范围为 - 40℃ ~ 85℃，采用全绿色封装（RoHS），有LQFP 100引脚/64引脚/48引脚封装（100引脚仅用于NuMicro™ NUC100/NUC120中密度产品）。

三、产品选型与引脚配置

（一）产品选型

文档提供了中密度和低密度产品线的产品选型指南，涵盖了不同型号的APROM、RAM、数据闪存、ISP加载器ROM、I/O数量、定时器、连接性等信息，方便工程师根据具体需求选择合适的产品。

（二）引脚配置

详细给出了中密度和低密度产品的引脚图，包括LQFP 100引脚、64引脚和48引脚的引脚配置，为硬件设计提供了重要参考。

四、功能描述

（一）ARM® Cortex™ - M0核心

Cortex™ - M0处理器是一个可配置的多级32位RISC处理器，具有AMBA AHB - Lite接口和NVIC组件，支持Thumb代码，与其他Cortex - M配置文件处理器兼容，支持线程模式和处理模式，具备低门数、Thumb - 2技术、SysTick定时器、32位硬件乘法器等特性，还支持低功耗睡眠模式、NVIC中断控制和调试功能。

（二）系统管理器

• 系统复位：系统复位可由上电复位、/RESET引脚低电平、看门狗超时复位、低电压复位、欠压检测器复位、CPU复位和系统复位等事件触发，系统复位和上电复位都会复位整个芯片，但系统复位不复位外部晶体电路和ISPCON.BS位，而上电复位会复位。
• 系统电源分配：芯片的电源分配分为模拟电源和数字电源，模拟电源由(AVDO)和(AVss)提供，用于模拟组件操作；数字电源由(VOD)和(Vss)提供，内部稳压器提供固定的2.5 V电源用于数字操作和I/O引脚。
• 系统内存映射：NuMicro™ NUC100系列提供4G字节的寻址空间，不同的片上控制器被分配到不同的地址空间，详细的寄存器定义、内存空间和编程细节将在后续部分描述，该系列仅支持小端数据格式。
• 系统定时器（SysTick）：Cortex - M0包含一个集成的系统定时器SysTick，提供一个简单的24位可写清零、递减、零回绕计数器，可作为实时操作系统（RTOS）滴答定时器或简单计数器使用。
• 嵌套向量中断控制器（NVIC）：Cortex - M0提供的NVIC作为异常模式的一部分，支持嵌套和向量中断，自动保存和恢复处理器状态，减少并确定中断延迟，可对所有支持的异常进行优先级排序和处理，支持“尾链”和“迟到到达”功能，提高了中断处理的效率和实时性。

（三）时钟控制器

时钟控制器为整个芯片生成时钟，包括系统时钟和所有外设时钟，还实现了电源控制功能，可单独控制时钟的开关、选择时钟源和进行时钟分频。芯片进入掉电模式需要CPU设置掉电使能位（PWR_DOWN_EN）并让Cortex - M0核心执行WFI指令，掉电模式下会关闭外部4 ~ 24 MHz高速晶体和内部22.1184 MHz高速振荡器以降低系统功耗。

（四）其他外设功能

文档还详细介绍了GPIO、I2C、PWM/捕获、RTC、SPI、定时器、看门狗定时器、UART、PS/2设备控制器、I2S、ADC、模拟比较器、PDMA控制器和外部总线接口等外设的功能和特性。

五、电气特性

（一）绝对最大额定值

规定了芯片的绝对最大额定值，包括直流电源、输入电压、振荡器频率、工作温度、存储温度、最大电流等参数，超出这些范围可能会影响设备的寿命和可靠性。

（二）直流电气特性

分别给出了中密度和低密度产品的直流电气特性，包括工作电压、电源接地、LDO输出电压、模拟工作电压、模拟参考电压、工作电流、待机电流、输入电流、输入泄漏电流、逻辑1到0转换电流、输入低电压、输入高电压、源电流、灌电流、欠压电压等参数，并给出了不同测试条件下的具体数值。

（三）交流电气特性

包括时钟的高时间、低时间、上升时间、下降时间等参数，以及外部4 ~ 24 MHz高速晶体、外部32.768 kHz低速晶体、内部22.1184 MHz高速振荡器和内部10 kHz低速振荡器的相关参数。

（四）模拟特性

涵盖了12位SAR ADC、LDO和电源管理、低电压复位、欠压检测器、上电复位、温度传感器和比较器的规格参数。

（五）闪存直流电气特性

给出了闪存的耐久性、保留时间、页擦除时间、块擦除时间、编程时间、电源电压、读取电流、编程/擦除电流和掉电电流等参数。

（六）SPI动态特性

给出了SPI主模式和从模式在不同电源电压和负载电容下的数据建立时间、数据保持时间和数据输出有效时间等参数。

六、封装尺寸

文档提供了100L LQFP（14x14x1.4 mm）、64L LQFP（10x10x1.4mm）和48L LQFP（7x7x1.4mm）三种封装的尺寸信息，为硬件设计中的封装选择提供了依据。

七、修订历史

记录了文档的修订历史，包括版本号、日期、修订章节和描述，方便用户了解文档的更新情况。

总的来说，NuMicro™ NUC100系列微控制器以其丰富的功能、灵活的配置和良好的电气特性，为工业控制和相关应用提供了一个可靠的解决方案。工程师在设计过程中，可以根据具体需求选择合适的产品型号，并参考文档中的详细信息进行硬件设计和开发。你在实际应用中是否遇到过类似微控制器的选型和设计难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。