AVR XMEGA マイクロコントローラー

リアルタイム性能、高度な統合、および超低電力

Atmel® AVR® XMEGA® マイクロコントローラーは、8/16 ビットの MCU アプリケーション向けのリアルタイム性能、高度な統合、および低電力消費を最高に組み合わせて提供します。

Atmel AVR XMEGA テクノロジーの詳細。

主な特長

• 高精度アナログ — ゲインステージと 4 MSPS の合計スループットを持つ 12 ビット ADC です。外部コンポーネントを不要にする強固なドライブ性能とその他の機能を持つ高速 12 ビット DAC です。
• リアルタイム性能 — イベントシステムは、周辺機器間の信号伝送を 100% 予測可能な応答時間で行えます。CPU の負荷を軽減するために、すべての周辺機器がデータ転送に DMA を使用できます。
• Atmel picoPower® テクノロジー — 真の 1.6 V 動作および SRAM を完全に保持した状態での 500 nA RTC 動作をサポートし、ウェイクアップタイムを最短にします。
• 高度な統合 — XMEGA デバイスは、AES および DES 暗号化モジュール、最大 32 PWM 出力、8 UART、4 TWI (I2C)、および 4 つの SPI チャンネル、CRC 発生器モジュールなどを統合しています。
• AVR ソフトウェアライブラリ — デバイスドライバおよび通信スタックの完全なライブラリにより、時間と開発工数が削減され、より重要な設計タスクに集中できます。
• Atmel QTouch® センサー機能 — QTouch ライブラリーのサポートにより、ボタン、スライダー、およびホイールの静電容量式タッチセンサーインターフェースを簡単に実現できます。
• USB 接続機能 — 外部クロックを使用せずに最大速度で動作でき、31 のエンドポイントを利用できます。データ転送レートを最大化しつつ CPU 負荷を最小限に抑える特殊なマルチパケット機能も提供します。

 

Atmel AVR XMEGAテクノロジーの詳細

 AVR XMEGA 機能の詳細

ピンおよびメモリオプション

ピン	メモリ
	フラッシュ	SRAM	EEPROM
100 ピン	64+4K バイト 128+8K バイト	4K バイト 8K バイト	2K バイト 2K バイト
64 ピン	64+4K バイト 128+8K バイト 192+8K バイト 256+8K バイト	4K バイト 8K バイト 16K バイト 16K バイト	2K バイト 2K バイト 2K バイト 4K バイト
44 ピン	64+4K バイト 32+4K バイト 64+8K バイト 128+8K バイト	2K バイト 4K バイト 4K バイト 8K バイト	1K バイト 1K バイト 2K バイト 2K バイト

アナログおよびデジタルコンバーター

Atmel® AVR® XMEGA® デバイスは、高速および高分解能の最新A-Dコンバーター (ADC) を採用しています。これらの ADC は、最大 4チャンネルと異なる結果のレジスタを持ち、いろいろな設定と構成を実現します。このため使い方は簡単で、異なるソフトウェアモジュールが、一つのADC をアクセスして使います。

各デバイス当り1個 または 2個の ADC

• 12 ビットの分解能
• ADC ごとに最大 2 MSPS
• 内蔵のゲイン段
• 差動およびシングルエンド入力
• 内臓温度センサー

• 各デバイスの 0 – 4 DAC チャンネル
• 12 ビット分解能
• DAC チャンネルで最大 1MSPS

CANドライブ:

• 純粋容量負荷
• 純粋抵抗負荷
• 組み合わせ負荷
• 10 mA の出力ドライブ強度

ADC と DAC は、確度の高い内部、外部共、リファレンスを選択できます。AVR XMEGA デバイス内部のリファレンスバッファにより、外部リファレンスからの高い出力電流は必要ありません。

イベントシステム

イベントシステムは、周辺回路間に信号を送る方法を簡単にします。応答時間は短く 100% 予測可能です。これにより、リアルタイム制御を確実に行い、CPU を負荷から解放します。毎回イベントが使われるたびに、コンテキストスイッチの邪魔がなくなるためです。下記の図の左側には、従来の方法が示されています。周辺回路が何かに信号を送る場合、CPU を邪魔しています。右側の図では、AVR XMEGA の方法を示しています。イベントシステムが、CPU からのこのようなタスクの負荷を解放しています。ほとんどの周辺回路と DMA コントローラーは、イベントシステムとつながっています。

DMA コントローラ

AVR XMEGA 4 チャンネルのダイレクトメモリアクセス (DMA) コントローラーは、データメモリと周辺回路間で高速でしかもCPUに関係なくデータ転送できます：

• 周辺回路　<-> メモリ
• 周辺回路 <-> 周辺回路
• メモリ <-> メモリ

チャンネルの優先度セレクションといくつかのアドレッシングモード、ダブルバッファー機能を提供しています。DMA コントローラーは、信号収集と信号処理、工業コントローラー、通信ゲートウェイなどのすべてのデータ指向の機器で特に有効です。下記表で示されているとおり、データ転送ではCPU の負荷を大幅に削減するため、他のアプリケーションでもメリットを提供します。

Atmel AVR CPU

Atmel AVR XMEGA デバイスは、Atmel AVR CPU を使用します。 CPU の命令セットと設計は、コードサイズを最小化し、実行速度を最大化するように調整されています。計算およびロジック演算を本当にシングルサイクルで実行するとは、XMEGA マイクロコントローラーが、1MHz あたり 1MIPS で実行することです。32 x 8 ビットの汎用のワーキングレジスタを持つ高速アクセスレジスタは、ALU（算術演算ユニット）に直接つながっています。シングルクロックサイクルの間、ALU は2 つの任意レジスタにフィードされ、要求された動作を実行し、その結果を書き込みます。8 ビット、16 ビット、32 ビット計算用の効率的なサポートを提供します。

Atmel picoPower テクノロジー

Atmel picoPower® テクノロジーにより、AVR XMEGA デバイスは、1.6Vで動作します。これには、1.6 V まで電圧を下げられる ADCとDAC、 フラッシュ、EEPROM メモリプログラミング動作を含むすべての機能が含まれています。これにより、1.8V ±10% 電源から直接、安全に動作できます。バッテリー寿命を延ばすため、より深いバッテリー放電を可能にします。 

 

AVR XMEGA デバイスは、100 nAしか消費せず、完全にデータを保持します。これにより、ほとんど時間スリープモードとなる機器の消費電力を減らし、すべてのスリープモードから高速起動を保証します。
AVR XMEGA リアルタイムカウンターは、32.768kHzの水晶発振器を動作させていても500 nA しか消費しません。
詳細については、picoPower 研究所のビデオをご覧ください。

USB コネクティビティ

選択された Atmel AVR XMEGA デバイスには、フルスピード USB デバイスモジュールが含まれています。 このモジュールは、31個 の完全構成可能なエンドポイントを提供し、4 つの USB 転送モード (制御、割り込み、アイソクロナス、バルク) をサポートします。CPUの負荷を削減し、高速データレートを提供する、独自のマルチパケット機能もあります。わずか 7% の CPU 負荷で、 1100KB/s のデータレートを維持することができます。高精度の内部発振器があるため、従来だとフルスピード のUSB に必要だった外部水晶発振器が要りません。AVR ソフトウェアフレームワークには、ほとんどの一般的な USB デバイスクラス向けのフリーソフトウェアが含まれています。

USB 性能

UART、SPI、I2C、EBI 通信インターフェース

All AVR XMEGA デバイスには、USART、SPI、I2C インターフェースが含まれています。 これらは、低 いCPU 負荷で高速、かつ信頼性の高い、安全な通信を提供するため、DMA コントローラーと、AES および DES 暗号化モジュール、 CRC モジュールを使います。さらに、100 ピンのデバイスバージョンには、データメモリや外部ハードウェアにマッピングされるメモリに接続するため、外部バスインターフェース (EBI) があります。主な特長は、以下の通りです：

USART – ユニバーサル同期および非同期シリアル送受信機

• 各デバイスの 3～8個の USART
• 完全な非同期およびクロック同期オペレーション
• 外部の水晶発振器を必要としないフラクショナルなボーレート生成器
• IrDA 変調<
• 最大 4 Mbps のデータレート

SPI – シリアル周辺インターフェース

• 各デバイスあたり 2～4個の SPI
• 高速の全二重同期シリアル通信
• マスターおよびスレーブ動作
• 最大 16 Mbps のデータレート

TWI - 2 本ワイヤーインターフェース

• 各デバイスあたり 2～4個の TWI
• I2C および SMBus 互換
• マスターおよびスレーブ動作
• すべてのスリープモードからアドレスを一致させてスレーブ動作と起動
• 100 kHz および 400 kHzの サポート

EBI - 簡単にアクセスするための外部バスインターフェース

• 最大 128 M ビットのSRAM
• 最大 16 M バイトのSDRAM
• 外部周辺機器 (例：LCD)
• メモリマッピングデバイス

LCD コントローラー

Atmel® AVR® XMEGA® マイクロコントローラー内の超低電力 LCD コントローラーは、最大 4x40 セグメントをサポートし、LCD の稼働には 3µA しか必要としません。ハードウェア設計の複雑さを緩和するために、LCD コントローラーは LCD バッファーと電源を内蔵し、LCD ピンへの柔軟な信号ルーティングを可能にする革新的な SWAP モードが組み込まれています。電流消費を抑えるために、LCD モジュールは、組み込み ASCII 文字マッピング、プログラマブルなセグメント点滅機能、およびテキストスクロールのサポートを備えています。LCD ドライバーは、Atmel AVR ソフトウェアフレームワークに用意されています。

比較およびキャプチャのチャンネルを搭載した 16 ビットタイマー/ カウンター

すべての Atmel AVR XMEGA タイマー/カウンターモジュールには、 パルス幅変調(PWM) および入力キャプチャ機能が含まれています。1 つのデバイスに最大 8個のタイマー/カウンターと32個の PWM チャンネルがあります。高分解能拡張モジュールを使えば、4ns までの PWM 分解能を上げることができます。タイマー/カウンターは、高サイドおよび低サイドの出力と無駄時間挿入を持つPWMと、故障保護モードを含む高度な使用もサポートしています。入力キャプチャ機能には、パルス幅と周波数測定が含まれており、2 つの 16 ビットタイマー/カウンターをかスケート接続すると、32 ビット入力キャプチャができるようになります。

I/O ピン機能

Atmel AVR XMEGA デバイスは、さまざまな出力構成、感度、同期/非同期起動を備えた柔軟性のある I/O ピンを提供します。オプションのスルーレート制限により、EMI を減らします。仮想ポートレジスタにより、シングルサイクルピン操作を実現します。これにより、ソフトウェアのビットバンギングが小さく、早くなります。
I/O ピンは、LV-TTL 仕様に準拠しており、最大 10mA/20mAの ソース/シンク電流の高駆動能力を持ちます。

AES および DES Crypto エンジン

暗号化エンジンは、64 ビット DES と128 ビット AES の暗号化/解読をサポートしています。この機能により、暗号化通信が、ソフトウェア内より高速に行うことができ、下記表で示されるとおり、高い暗号化通信データレートを実現することになります。

 

最大暗号化通信レート	UART	SPI	Vs. ソフトウェア
128ビットAES	4 Mbps	3.2 Mbps	10倍 高速
トリプルDES	3.2 Mbps	2.3 Mbps	100倍 高速

クロックおよびパワーマネージメント

Atmel AVR XMEGA クロックシステムには、正確な内部発振器と、外部水晶発振器やその他クロックのオプションが含まれています。ダイナミックなクロックスイッチとクロックスケーリングにより、機器のニーズに合うように、正確かつ消費電力を調整できます。外部発振器の故障検出と、内部発振器の自動ランタイム較正を組み込んでいるため、AVR XMEGA は、安全で、信頼性高く、柔軟性のあるクロックシステムを提供します。

AVR XMEGA デバイスには、アプリケーション内で使用していないモジュールをオフにし、消費電力を抑える 5 つの異なるスリープモードがあります。この精度は、電力削減レジスタにより、より向上しています。
アイドルスリープモードでは、CPU が電力消費を抑えるよう停止しながら、すべての周辺機器が動作しています。これにより、イベントシステム、DMA コントローラー、すべての周辺機器が動作しながら、最大で 50％の電力消費を削減することができます。
XMEGA デバイスは、電力節約モードで、業界有数の低い電力数を提供しています。これには 600 nAしか使わずに、リアルタイムカウンターを実行し、フルデータを保持しています。フルデータの保持は重要で、最も深いスリープモードから、わずか5μs という短い起動時間を実現しています。
パワーダウンモードでは、XMEGA デバイスは、SRAM保持とレジスタ保持をしながらわずか100nsしか消費しません。どのようなI/O ピンでもTWIアドレスのマッチングとUSB レジューム上において、ピン変化からわずか5μsで 起動します。ウォッチドッグや電圧低下検出器などの安全機能は、すべてのスリープモードでオプションとして使うことができます。

スタンドバイモードと拡張スタンドバイスリープモードは、電源切断および電源節約モードと同じものです。ただし、外部の発振器が、起動時間を短縮するために動作し続ける場合を除きます。

割り込みコントローラー

複数レベルの割り込みコントローラーには、3 つの優先レベルがあります。高レベルの割り込みは、低レベルの割り込みの前に優先され、実行されます。これにより、すべての重要なタスク用に予測可能なリアルタイム応答を保証します。すべての周辺回路に、割り込みレベルを割り当てることができます。

アナログコンパレータ-

アナログコンパレーター (AC) は、2 つのインプットの電圧レベルを比較し、この比較をベースにデジタルアウトプットを提供します。AC の 2 つの重要なプロパティは、履歴と伝搬遅延です。AVR XMEGA デバイスでは、このパラメーターは、各アプリケーション用の最適操作を見つけるために調整することができます。インプットセレクションには、64 レベルプログラマブル電圧スケーラーを含む、アナログポートピン、内部信号があります。各デバイスには、少なくとも、ウィンドウモードで一緒に構成される 2 つのアナログコンパレーターを含んでいます。ウィンドウモードでは、信号が電圧ウィンドウより上、下、内部または外部であるなど、コントロールすることが可能です。

静電容量タッチセンサー

Atmel QTouch® ライブラリは、AVR XMEGA デバイスのタッチ反応インターフェースを体感する簡単使用ソリューションを提供しています。AVR XMEGA は、静電容量式ボタン、スライダー、ホイール用の 最大 64 センスチャンネルを提供しています。タッチセンサーは、AVR XMEGA マイクロコントローラー用の QTouch ライブラリへリンクするアプリケーションへ追加することができます。これは、タッチチャンネルとタッチセンサーを定義する API の簡単なセットを使うことで実行します。そしてタッチセンサーの API を呼び出し、チャンネル情報を取り出し、タッチセンサー状況を判断します。 
 

QTouch ライブラリは Atmel ウェブサイトから無料でダウンロードできます: www.atmel.com/qtouchlibrary。

CRC モジュール

CRC(サイクリック冗長チェック) は、データの偶然のエラーを検出するために使用するエラー検出技術のテストアルゴリズムです。AVR XMEGA の CRC モジュールは、CRC-16 (CRC-CCITT) および CRC-32 (IEEE 802.3) という、一般に使われている2個のCRC多項式をサポートしています。 通信データの正確性と、データメモリとプログラムメモリのデータの存在を決めるために使われます。DMA コントローラーと組み合わせて、通信データの継続的かつ完全な自律的 CRC チェックを実現します。

最適なバッテリーバックアップシステム RTC

リアルタイムカウンター (RTC) は、低電力スリープモードなど、時間のトラックを維持するため、連続動作します。スリープモードからデバイスを起動し、定期的なインターバルでデバイスに割り込みをかけます。低消費電力になるよう最適化し、わずか500nAでRTC および 外部 32.768kHz水晶発振器を動作させることができます。
ある大きな電力損失が起きた場合でも、リアルタイムクロックを動作し続けなければならない応用機器もあります。選択した AVR XMEGA デバイスは、主電源とバッテリーバックアップ電源間の電源切り替えを自動的に行うバッテリーバックアップシステムを集積しています。これにより、主電源が落ちた場合でも RTC を動作させることが可能です。外部 RTC デバイスまたは電源切り替え部品は必要ありません。

電源およびシステム監視

すべての AVR XMGA デバイスは、さまざまな専用機能を提供し、安全で信頼性の高い動作を確実にしています。
パワーオンリセット (POR) は、デバイスの電源オンと電源ダウンサイクルを保証します。それは電源電圧が非常に低い時に動作し、RAM とレジスターのコンテンツが失われる前にデバイスを確実にリセットします。
電圧低下検出器 (BOD) は電源電圧を監視し、必要レベル以下に下がった場合、デバイスをリセットします。モニターする電圧レベルは、1.6V～3.0V 間のさまざまなレベルにプログラム可能で、最初の電源電圧に一致します。 これにより、電源電圧が低くすぎて正しい動作が保証されない場合、プログラム実行は継続されません。
ウォッチドッグタイマー (WDT) は、プログラム操作を監視し、暴走やデッドロックコードなどのプログラムエラーの状態から復旧させることができます。
外部発振器の故障検出 (XOSCFD) 機能は、外部クロックソースとPLL を監視し、クロックが故障した場合、割り込みを発行し、2 MHzの 内部発振器に切り替えます。外部クロックソースが故障したの状況から安全に復旧させることができます。

これらの機能は、電子機器を保護し、安全かつ信頼できる動作を保証します。