NuMicro? M058/M0516：32位微控制器的卓越之選

在工業(yè)控制和各類需要豐富通信接口的應(yīng)用領(lǐng)域中，NuMicro? M058/M0516這款32位微控制器憑借其強大的性能和豐富的功能脫穎而出。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、總體概述

NuMicro M051? 系列是一款采用ARM? Cortex? - M0內(nèi)核的32位微控制器。Cortex? - M0作為最新的ARM嵌入式處理器，具備32位性能，成本卻與傳統(tǒng)8位微控制器相當(dāng)。該系列包含M052、M054、M058和M0516等家族。其中，M058/M0516最高運行頻率可達(dá)50 MHz，能夠支持各種對CPU性能要求較高的工業(yè)控制和應(yīng)用。它擁有32K/64K字節(jié)的嵌入式閃存、4K字節(jié)的數(shù)據(jù)閃存、4K字節(jié)用于ISP的閃存以及4K字節(jié)的嵌入式SRAM。同時，集成了眾多系統(tǒng)級外設(shè)功能，如I/O端口、EBI（外部總線接口）、定時器、UART、SPI、I2C、PWM、ADC、看門狗定時器和欠壓檢測器等，有效減少了組件數(shù)量、電路板空間和系統(tǒng)成本，適用于廣泛的應(yīng)用場景。此外，還具備ISP（系統(tǒng)內(nèi)編程）和ICP（在線編程）功能，方便用戶在不拆除芯片的情況下更新程序內(nèi)存。

二、產(chǎn)品特性

（一）內(nèi)核特性

• 高性能運行：ARM? Cortex? - M0內(nèi)核最高運行頻率達(dá)50 MHz，具備單周期32位硬件乘法器，提升運算效率。
• 低功耗模式：支持低功耗睡眠模式，可有效降低系統(tǒng)功耗。
• 中斷管理：擁有NVIC（嵌套向量中斷控制器），支持32個中斷輸入，每個中斷有4級優(yōu)先級，還具備專用的非屏蔽中斷（NMI）輸入，支持電平敏感和脈沖敏感中斷線。
• 調(diào)試功能：支持串行線調(diào)試（SWD）接口，具備4個硬件斷點和2個觀察點，還有程序計數(shù)器采樣寄存器（PCSR）用于非侵入式代碼分析，支持單步執(zhí)行和向量捕獲功能。

  （二）內(nèi)存配置

• 擁有32KB/64KB的程序閃存（APROM）、4KB的數(shù)據(jù)閃存（DataFlash）、4KB的加載器閃存（LDROM）以及4KB的內(nèi)部暫存SRAM，滿足不同的數(shù)據(jù)存儲和程序運行需求。

  （三）時鐘控制

• 多時鐘源選擇：具備可編程系統(tǒng)時鐘源，支持外部4 - 24 MHz高速晶體輸入、內(nèi)部22.1184 MHz高速振蕩器（精度達(dá)1%）以及內(nèi)部10 kHz低速振蕩器（用于看門狗定時器）。
• PLL支持：PLL可使CPU最高運行至50MHz，靈活滿足不同的性能需求。

  （四）I/O端口

• 豐富的I/O引腳：LQFP - 48封裝最多提供40個通用I/O（GPIO）引腳。
• 多種I/O模式：支持準(zhǔn)雙向、推挽輸出、開漏輸出和高阻抗輸入四種模式，可選擇TTL/施密特觸發(fā)器輸入，I/O引腳還可配置為具有邊沿/電平設(shè)置的中斷源，支持高驅(qū)動和高灌電流IO模式。

  （五）定時器

• 提供四個通道的32位定時器，每個定時器配備一個8位預(yù)分頻計數(shù)器和24位向上定時器，每個定時器有獨立的時鐘源，24位定時器值可通過TDR（定時器數(shù)據(jù)寄存器）讀取，支持單次、周期性和翻轉(zhuǎn)操作模式。

  （六）看門狗定時器

• 具備多個時鐘源，支持從掉電或空閑模式喚醒，可選擇在看門狗超時時間觸發(fā)中斷或復(fù)位。

  （七）PWM

• 內(nèi)置最多四個16位PWM發(fā)生器，可提供八個PWM輸出或四個互補配對PWM輸出。每個PWM發(fā)生器有獨立的時鐘源、時鐘分頻器、8位預(yù)分頻器和死區(qū)發(fā)生器，PWM中斷與PWM周期同步，還具備16位數(shù)字捕獲定時器（與PWM定時器共享），支持捕獲中斷。

  （八）UART

• 最多提供兩組UART設(shè)備，具備可編程波特率發(fā)生器、15字節(jié)FIFO的緩沖接收器和發(fā)送器，可選流控制功能（CTS和RTS），支持IrDA（SIR）功能和RS485功能。

  （九）SPI

• 最多兩組SPI設(shè)備，支持主/從模式，主模式時鐘速率最高達(dá)20 MHz，從模式時鐘速率最高達(dá)10 MHz，全雙工同步串行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸數(shù)據(jù)長度可變（1 - 32位），支持MSB或LSB先傳輸，接收數(shù)據(jù)可在串行時鐘的上升沿或下降沿鎖存，發(fā)送數(shù)據(jù)也可在相應(yīng)邊沿發(fā)送，支持32位傳輸中的字節(jié)暫停模式。

  （十）I2C

• 支持主/從模式，主從之間雙向數(shù)據(jù)傳輸，為多主總線（無中央主設(shè)備），可在多個主設(shè)備同時傳輸時進行仲裁，防止總線上串行數(shù)據(jù)損壞，支持串行時鐘同步，允許不同比特率的設(shè)備通過一條串行總線通信，可編程時鐘實現(xiàn)靈活的速率控制，支持多個地址識別（四個從地址帶掩碼選項）。

  （十一）ADC

• 12位SAR ADC，采樣率達(dá)600k SPS，最多支持8通道單端輸入或4通道差分輸入，支持單模式、突發(fā)模式、單周期掃描模式和連續(xù)掃描模式，每個通道有獨立的結(jié)果寄存器，支持轉(zhuǎn)換值監(jiān)測（或比較）以進行閾值電壓檢測，轉(zhuǎn)換可通過軟件觸發(fā)或外部引腳觸發(fā)。

  （十二）EBI（外部總線接口）

• 可訪問64KB（8位模式）或128KB（16位模式）的外部內(nèi)存映射設(shè)備，支持8位/16位數(shù)據(jù)寬度。

  （十三）其他特性

• 編程功能：具備ISP和ICP功能，方便程序更新。
• 欠壓檢測：欠壓檢測器有4個級別（4.5V/3.8V/2.7V/2.2V），支持欠壓中斷和復(fù)位選項。
• 低電壓復(fù)位：閾值電壓為2.0V，工作溫度范圍為 - 40 ~ 85℃。
• 封裝形式：采用綠色封裝（RoHS），有48引腳LQFP和33引腳QFN兩種封裝。

三、產(chǎn)品選型

用戶可以根據(jù)自身的應(yīng)用需求，如內(nèi)存大小、I/O數(shù)量、外設(shè)功能等，選擇合適的型號。

四、引腳配置

（一）QFN 33引腳

QFN 33引腳配置有其特定的功能分布，如XTAL1和XTAL2用于連接外部晶體，VDD和AVDD分別為數(shù)字和模擬電源，VSS和AVSS為相應(yīng)的地，/RST為硬件復(fù)位引腳等。

（二）LQFP 48引腳

LQFP 48引腳同樣具備豐富的功能，不同引腳承擔(dān)著不同的任務(wù)，如P0、P1、P2、P3、P4端口的引腳可用于多種功能，包括UART、SPI、I2C、PWM、ADC等外設(shè)的連接。

（三）引腳詳細(xì)描述

每個引腳都有其特定的功能和類型，如輸入（I）、輸出（O）、準(zhǔn)雙向（I/O）、開漏（D）、電源引腳（P）、施密特觸發(fā)器輸入（ST）等。例如，XTAL1為內(nèi)部反相放大器的輸入引腳，XTAL2為輸出引腳；P0端口的引腳有多種復(fù)用功能，可用于UART、SPI等通信功能，同時在外部內(nèi)存接口（EBI）啟用時還有替代功能。

五、功能描述

（一）ARM? Cortex? - M0內(nèi)核

Cortex? - M0處理器是一款可配置的多級32位RISC處理器，具有AMBA AHBLite接口和NVIC組件，支持Thumb代碼，與其他Cortex - M系列處理器兼容，具備低功耗睡眠模式，NVIC支持32個外部中斷輸入，每個中斷有4級優(yōu)先級，還具備硬件調(diào)試功能，如4個硬件斷點和2個觀察點等。

（二）系統(tǒng)管理器

• 系統(tǒng)復(fù)位：包括上電復(fù)位（POR）、/RESET引腳低電平復(fù)位、看門狗超時復(fù)位（WDT）、低電壓復(fù)位（LVR）、欠壓檢測復(fù)位（BOD）、CPU復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位等，復(fù)位事件標(biāo)志可通過RSTRC寄存器讀取。
• 系統(tǒng)電源架構(gòu)：電源架構(gòu)分為模擬電源和數(shù)字電源兩部分，模擬電源由AVDD和AVSS提供，為模擬模塊供電；數(shù)字電源由VDD和VSS提供，通過內(nèi)部穩(wěn)壓器提供2.5V的固定電源用于數(shù)字操作和I/O引腳。
• 系統(tǒng)內(nèi)存映射：提供4G字節(jié)的地址空間，不同的內(nèi)存區(qū)域分配給不同的片上模塊，如Flash和SRAM內(nèi)存空間、AHB模塊空間、EBI空間、APB模塊空間和系統(tǒng)控制空間等。
• 系統(tǒng)定時器（SysTick）：Cortex - M0集成了SysTick系統(tǒng)定時器，是一個24位的可清零、遞減、歸零循環(huán)計數(shù)器，可作為實時操作系統(tǒng)（RTOS）的滴答定時器或簡單計數(shù)器使用。
• 嵌套向量中斷控制器（NVIC）：負(fù)責(zé)處理所有支持的異常，支持嵌套和向量中斷，自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，動態(tài)改變優(yōu)先級，減少和確定中斷延遲，支持“尾鏈”和“遲到到達(dá)”功能，提高中斷處理效率。

  （三）時鐘控制器

• 時鐘生成：時鐘控制器為整個芯片生成時鐘，包括系統(tǒng)時鐘和所有外設(shè)時鐘，具備4個時鐘源，分別為外部4 - 24 MHz高速晶體、內(nèi)部22.1184 MHz高速振蕩器、可編程PLL（由外部晶體或內(nèi)部高速振蕩器提供源）和內(nèi)部10 kHz低速振蕩器。
• 時鐘選擇：系統(tǒng)時鐘和SysTick時鐘有多種時鐘源可供選擇，通過相應(yīng)的寄存器進行切換。在電源管理方面，芯片進入掉電模式時，時鐘控制器會關(guān)閉部分時鐘源以降低功耗。
• 頻率分頻器：配備以2為冪的頻率分頻器，由16個級聯(lián)的除2移位寄存器組成，可通過16選1的多路復(fù)用器選擇其中一個移位寄存器的輸出，輸出頻率范圍為 (F{in } / 2^{1}) 到 (F{in } / 2^{17}) 。

  （四）通用I/O

• 該MCU共有40個通用I/O引腳，分布在P0、P1、P2、P3和P4五個端口，每個端口最多8個引腳。引腳的I/O類型可通過軟件單獨配置為輸入、輸出、開漏或準(zhǔn)雙向模式。復(fù)位后，所有引腳默認(rèn)為準(zhǔn)雙向模式，端口數(shù)據(jù)寄存器Px_DOUT[7:0]復(fù)位為0x000_00FF，每個I/O引腳配備約110KΩ - 300KΩ的弱上拉電阻。

  （五）I2C串行接口控制器

  I2C是一種兩線雙向串行總線，用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。該芯片的I2C接口符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)模式規(guī)范，支持主/從模式，具備仲裁和串行時鐘同步功能，內(nèi)置14位超時計數(shù)器，支持7位尋址模式和多個地址識別。

  （六）PWM發(fā)生器和捕獲定時器

• PWM功能：NuMicro M051? 系列有2組PWM組，支持4組PWM發(fā)生器，可配置為8個獨立的PWM輸出或4個互補PWM對，每個PWM發(fā)生器有獨立的時鐘源、預(yù)分頻器、時鐘分頻器、定時器、比較器和死區(qū)發(fā)生器，支持單次或自動重載模式。
• 捕獲功能：PWM定時器還具備數(shù)字輸入捕獲功能，8個捕獲輸入通道與8個PWM輸出通道共享，每個通道支持上升沿和下降沿捕獲，可產(chǎn)生捕獲中斷。

  （七）SPI控制器

  SPI是一種同步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，該芯片最多有兩組SPI控制器，支持主/從模式操作，可配置傳輸字的位長度和事務(wù)的字?jǐn)?shù)，支持突發(fā)模式操作、MSB或LSB先傳輸、字節(jié)或字暫停模式，主模式下輸出串行時鐘頻率可變。

  （八）定時器控制器

  定時器控制器包含四個32位定時器，可實現(xiàn)頻率測量、間隔測量、時鐘生成、延遲定時等功能，每個定時器有獨立的時鐘源，支持單次、周期性、翻轉(zhuǎn)和連續(xù)計數(shù)操作模式。

  （九）看門狗定時器

  看門狗定時器用于在系統(tǒng)進入未知狀態(tài)時進行系統(tǒng)復(fù)位，防止系統(tǒng)無限期掛起，還支持從掉電模式喚醒芯片。它包含一個18位的自由運行計數(shù)器，具有可編程的超時時間間隔，超時后可觸發(fā)中斷或復(fù)位。

  （十）UART接口控制器

• 提供最多兩個通道的UART設(shè)備，支持正常速度UART和流控制功能，具備15字節(jié)的發(fā)送和接收FIFO，支持多種中斷類型，如發(fā)送FIFO空中斷、接收閾值到達(dá)中斷等。
• 可編程波特率發(fā)生器，支持IrDA SIR功能和RS - 485模式功能，可通過硬件或軟件實現(xiàn)自動流控制和方向控制。

  （十一）ADC

• 包含一個12位逐次逼近型模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（SAR A/D轉(zhuǎn)換器），支持8個輸入通道，可在單、突發(fā)、單周期掃描和連續(xù)掃描四種模式下工作，轉(zhuǎn)換可通過軟件或外部引腳觸發(fā)。
• 模擬輸入電壓范圍為0 - AVDD（最大5.0V），分辨率為12位，精度達(dá)10位，最高轉(zhuǎn)換速率為600k SPS，支持自校準(zhǔn)以減少轉(zhuǎn)換誤差。

  （十二）外部總線接口（EBI）

  EBI用于連接外部設(shè)備，支持地址總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用模式，通過地址鎖存使能（ALE）信號區(qū)分地址和數(shù)據(jù)周期，可支持最大64K字節(jié)（8位數(shù)據(jù)寬度）或128K字節(jié)（16位數(shù)據(jù)寬度）的外部設(shè)備，支持可變的外部總線基時鐘、數(shù)據(jù)寬度、數(shù)據(jù)訪問時間等。

  （十三）閃存內(nèi)存控制器（FMC）

• 配備64K/32K/16K/8K字節(jié)的片上嵌入式閃存作為應(yīng)用程序內(nèi)存（APROM），可通過ISP/IAP程序更新。
• 還提供4K字節(jié)的DATA Flash用于存儲應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)，支持零等待狀態(tài)的連續(xù)地址讀取訪問，運行頻率最高可達(dá)50 MHz。

六、典型應(yīng)用電路和電氣特性

（一）典型應(yīng)用電路

文檔中雖未詳細(xì)描述典型應(yīng)用電路，但在實際設(shè)計中，可根據(jù)芯片的功能和引腳配置，結(jié)合具體的應(yīng)用需求，設(shè)計出合適的電路。

（二）電氣特性

• 絕對最大額定值：規(guī)定了芯片正常工作的極限條件，如電源電壓范圍、輸入電壓范圍、振蕩器頻率范圍、工作溫度范圍、最大電流等，超出這些范圍可能會影響芯片的壽命和可靠性。
• 直流電氣特性：包括工作電壓、電源地、LDO輸出電壓、帶隙模擬輸入、模擬工作電壓、工作電流（正常運行模式、空閑模式、掉電模式）、輸入電流、輸入泄漏電流、邏輯電平轉(zhuǎn)換電流、輸入高低電壓等參數(shù)，這些參數(shù)在不同的工作條件下有不同的取值。
• 交流電氣特性：涉及外部4 - 24 MHz高速晶體和振蕩器的時鐘參數(shù)，如時鐘高時間、低時間、上升時間、下降時間等，以及內(nèi)部22.1184 MHz高速振蕩器和10 kHz低速振蕩器的頻率精度、工作電流等特性。
• 模擬特性：包括600 kHz sps 12位SARADC的分辨率、非線性誤差、偏移誤差、增益誤差、采樣率等參數(shù)，LDO和電源管理的輸入輸出電壓、靜態(tài)電流等參數(shù)，以及欠壓檢測器、低電壓復(fù)位、上電復(fù)位的相關(guān)參數(shù)。
• SPI動態(tài)特性：給出了SPI主模式和從模式在不同電源電壓和負(fù)載電容下的數(shù)據(jù)建立時間、保持時間和輸出有效時間等參數(shù)。