SAM9X60D1G：高效能、超低功耗

提煉

SAM9X60D1G 是一款高性能、超低功耗微控制器系统，专为满足各种应用需求而设计，尤其是那些需要高效处理和可靠性能的应用。

摘要

SAM9X60D1G 是一款高性能、超低功耗微控制器系统，旨在满足各种应用的需求，特别是那些需要高效处理和可靠性能的应用。其架构的核心是 Arm Cortex-M 处理器，该处理器以低功耗和强大的性能著称，是物联网 (IoT) 应用和其他嵌入式系统的首选。

该微控制器集成了多功能指令集和一系列通用寄存器，可实现高效的数据处理和灵活的应用开发。SAM9X60D1G 的一个突出特点是其先进的存储器管理功能，支持各种存储器类型，包括 ECC ROM、SRAM 和 UDPHS RAM，其配置可处理高达 262144kB 的存储器大小。除了复杂的内存管理外，还为 ADC、AES 和 CAN 等关键元件提供了精确的寄存器结构地址定义，从而促进了有效的外设管理和集成。此外，Armv8.1-M 架构增强了微控制器的安全功能，其中包括指针验证码 (PAC) 和分支目标指示器 (BTI) 等安全措施，可减轻软件攻击，确保安全的空中下载更新和维护安全的执行环境。SAM9X60D1G 还在功能安全方面表现出色，适合汽车、工业、航空航天和运输等领域的安全关键型应用。Cortex-M 系列集成的功能安全特性有助于检测和报告故障，大大降低了危险状况的风险。该系统通过高级微控制器总线架构（AMBA）与各种外设连接的能力，进一步增强了其在各种应用中的适应性和可靠性。在性能方面，SAM9X60D1G 采用 ARM Cortex-A9 内核，具有强大的计算能力和高效的处理能力，对于处理嵌入式系统中的复杂任务至关重要。其安全扩展（如 ARM 的 TrustZone 技术）可确保敏感数据和操作得到妥善保护，从而增强系统的整体安全性。SAM9X60D1G 具有广泛的软件支持，包括多种 Linux 发行版和实时操作系统环境，可轻松集成到从物联网设备到工业自动化的各种应用中，是现代嵌入式系统设计的多功能、功能强大的解决方案。

概述

SAM9X60D1G 是一款高性能、超低功耗微控制器系统，专为需要高效处理和可靠性能的各种应用而设计。该系统的核心是 Arm Cortex-M 处理器架构，该架构在嵌入式系统，特别是针对物联网 (IoT) 应用的嵌入式系统中以低功耗和强大的性能而著称

.Arm 架构采用负载存储设计，混合使用定长 32 位和变长 Thumb 指令，以及大量通用寄存器。这些特性实现了高效的数据处理和多功能应用开发。SAM9X60D1G 的一个重要方面是其全面的内存管理功能。它包括各种存储器段的存储器映射定义，如 ECC ROM、SRAM、UDPHS RAM、UHPHS OHCI、UHPHS EHCI 和 EBI 配置，每种配置都支持高达 262144kB 的大容量存储器。此外，它还为 ADC、AES、AIC、CAN、EMAC 等关键组件提供了精确的寄存器结构地址定义，从而促进了有效的外设管理和集成。安全性是 SAM9X60D1G 的另一个基石，Armv8.1-M 架构的增强功能提高了安全性。这包括指针验证码 (PAC) 和分支目标指示器 (BTI) 等功能，有助于减轻软件攻击。这些安全增强功能确保微控制器能够安全地处理空中更新，并保持可信的执行环境，这对汽车、工业、航空航天和运输领域的应用至关重要。此外，SAM9X60D1G 中的 Cortex-M 系列支持功能安全，这对安全关键型应用至关重要。集成的功能安全特性可检测和报告故障，降低危险状况的风险，这在自动驾驶和其他先进技术等领域日益重要。该系统能够通过高级微控制器总线架构（AMBA）和一系列外设与外部世界连接，是嵌入式系统设计人员的多功能选择。它支持各种互连和外设，确保在各种应用中实现强大的通信和控制能力。

技术规格

SAM9X60D1G 是一款高性能、超低功耗嵌入式微处理器，集成了一系列先进功能，可支持各种应用。其核心功能是 ARM Cortex-A9 内核，可提供强大的计算能力和高效的处理能力

.该处理器采用 ARM 公司久负盛名的 ARM 架构设计，以高性能、低功耗和减少硅片面积而著称。

核心架构

SAM9X60D1G 采用 ARM Cortex-A9 架构，该架构以高效指令集和处理能力著称。该内核架构支持单周期执行和流水线执行等先进功能，从而提高了处理器的整体性能

.ARM Cortex-A9 专用于处理复杂的计算任务，同时保持低功耗，因此适用于各种嵌入式应用。

内存管理

处理器具备全面的内存管理功能，包括支持各种内存类型和高效的内存访问机制

.其中包括一个集成内存控制器，可支持高速内存接口并优化数据传输速率，这对于在要求苛刻的应用中保持性能至关重要。

外设和互连器件

SAM9X60D1G 包含丰富的外设和互连器件，便于与其他系统组件无缝集成。它支持高级微控制器总线架构 (AMBA)，可确保处理器内核与外设之间的高效通信

.多种接口和互连的加入为系统设计提供了灵活性，允许多种外设连接和配置。

安全功能

安全是 SAM9X60D1G 的一个重要方面，它采用了先进的安全扩展，如 ARM 的 TrustZone 技术。该技术通过在同一处理器内实现安全和非安全状态，为添加专用安全内核提供了低成本的替代方案。

.TrustZone 可确保敏感数据和操作受到保护，从而增强系统的整体安全性。

应用与集成

SAM9X60D1G 功能全面、性能稳定，可轻松集成到各种应用中。它适用于要求高性能、低功耗的物联网设备、工业自动化和其他嵌入式应用。

.该处理器的架构和外设支持使其成为希望构建高效、可扩展系统的开发人员的理想选择。

耗電量

在追求可持续发展的过程中，能效已成为电子设备设计的首要考虑因素。SAM9X60D1G 等现代微控制器在性能和能耗之间取得了微妙的平衡，在这方面表现出色

.低功耗设计技术加上半导体技术的进步，使得微控制器能够以最小的功耗长时间工作。这对于以电池供电的设备和可再生能源系统尤为重要，因为在这些系统中，能效是一个关键因素。SAM9X60D1G 微控制器由 MCP16501 电源管理集成电路 (PMIC) 提供支持，它能以最高效率提供三种输出电压。该 PMIC 与 Microchip 的嵌入式微处理器单元 (eMPU) 和相关 DRAM 存储器兼容。它集成了三个 DC-DC 降压稳压器和一个辅助低压差稳压器 (LDO)，为 MPU 提供了一个全面的接口。MCP16501 的所有降压通道均可支持高达 1A 的负载，并能以 100% 占空比工作。MCP16501 预设为提供系统所需的所有电压轨，包括用于 SAM9X60D1G DDR2 焊盘的 1.8V、用于内核的 1.15V 和用于 I/O 焊盘的 3.3V。SAM9X60D1G 的高效电源管理能力对数据中心至关重要，因为数据中心的能耗可能占运营费用的 30% 或更多。Calxeda 等公司试图通过开发基于大规模多核 ARM 处理器的服务器来解决功耗/性能等式问题。包括移动应用和汽车计算平台在内的更广泛的行业也采用了这种方法，在这些行业中，能效仍然是一个关键的设计标准。SAM9X60D1G 等微控制器的工作频率通常低至 4 kHz，功耗低，仅为个位数毫瓦或微瓦。这些器件可以在等待事件发生时保持功能，在睡眠模式下功耗仅为纳瓦，因此非常适合长效电池应用。SAM9X60D1G 强调电源效率，并采用先进的电源管理技术，因此能够支持各种具有严格电源要求的应用。

性能

根据 Dhrystone 基准测试，ARM2 的性能大约是 Amiga 或 Macintosh SE 等基于 68000 的 7 MHz 典型系统的七倍。它的速度是运行频率为 16 MHz 的英特尔 80386 的两倍，与多处理器 VAX-11/784 超级计算机的速度差不多

.唯一超过它的系统是基于 Sun SPARC 和 MIPS R2000 RISC 的工作站。此外，ARM2 CPU 专为高速 I/O 而设计，省去了这些机器上的许多支持芯片，特别是缺少工作站上常见的专用直接内存访问 (DMA) 控制器。这种简化的设计使其性能与昂贵的工作站相当，但价格却与当代台式机相近。通过比较 ARM 的 Cortex-A78 和 SiFive 的 P670（使用 RISC-V）的性能，我们可以获得更多信息。Cortex-A78 的峰值单线程性能略高于 P670。尽管如此，P670 的计算密度是 Cortex-A78 的两倍，以更小的芯片提供了相当的峰值单线程性能。这种比较凸显了原始性能和计算密度之间的权衡，对于了解每种架构的优缺点至关重要。对于可穿戴设备，ARM 的全面计算解决方案（包括 "LITTLE "Cortex-A CPU 配置、Cortex-M CPU、Ethos u-NPU 和入门级或主流 Mali GPU）可提供超高的可扩展性，从而实现成本效益。这些解决方案非常适合可穿戴设备市场，因为可穿戴设备要求在设计中实现高性能，同时还要节省功耗和面积。此外，它们还能提升智能手表上人工智能和 ML 工作负载的性能。2018年10月，ARM针对高性能计算（HPC）和云计算推出了Neoverse产品线，标志着ARM取得了重大胜利。到2010年代末，基于ARM的实例已被各大超级分频器采用，2019年全球最快的超级计算机也采用了基于ARM的SoC。这一成功彰显了 ARM 在 HPC 和云计算领域日益增长的影响力，以及其在汽车系统领域超过 20 年的稳固地位。

设计与建筑

SAM9X60D1G 的设计和架构以实现高性能和超低功耗为核心。微控制器集成了 CPU、内存和 I/O 外围设备等关键组件，以促进高效计算和控制。

中央处理器（CPU）

中央处理器是核心处理单元，负责执行存储在内存中的指令。它执行算术和逻辑运算、控制数据流并管理程序的执行

.SAM9X60D1G 的 CPU 可在保持能效的同时提供强劲的性能。

内存

内存是 SAM9X60D1G 结构的一个重要方面。

程序存储器（闪存或 ROM）： 存储固件或程序代码。
数据存储器（RAM）： 在程序执行期间暂时保存数据。

输入/输出（I/O）外设

SAM9X60D1G 包括各种 I/O 外设，可实现微控制器与外部设备之间的通信。这些外设可能包括 GPIO（通用输入/输出）引脚、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)

计时器和计数器

内置定时器和计数器对于测量时间间隔、生成 PWM 信号和控制外部事件等任务至关重要。这些元件对于需要精确定时的应用（如嵌入式系统和控制系统）至关重要

通信接口

该微控制器支持多个通信接口，以增强其连接选项。这些接口可实现 SAM9X60D1G 与其他设备之间的无缝数据交换，有助于其在各种应用中的通用性

建筑特色

SAM9X60D1G 采用 ARM 架构，实现了性能和能效的平衡组合。ARM 的设计理念强调在不牺牲性能的前提下提供高性价比的解决方案。许可模式允许灵活的芯片设计和生产，促进了制造商之间的创新和竞争。

.ARM 的体系结构规范由合作伙伴授权，他们在此基础上创建符合要求的硅芯片，从而推动多个市场的创新。ARM 体系结构通过一套完整的工具和一个强大的全球支持生态系统，支持创建各个级别的设备。它包括针对不同环境和用例优化的多个配置文件，如应用配置文件（Cortex-A）、实时配置文件和微控制器配置文件。

软件支持

SAM9X60D1G 系统级模块 (SOM) 提供广泛的软件支持，可广泛应用于医疗设备、汽车远程信息处理、信息娱乐系统、工业自动化等行业。

.Microchip 提供全面的开发工具，以促进软件开发过程。其中包括通过 SAM9X60D1G Curiosity 评估套件（CPN：EV40E67A）提供的硬件和软件支持，该套件提供三种 Linux 发行版：BuildRoot、Yocto 和 OpenWRT。对于需要裸机或实时操作系统 (RTOS) 环境的系统，可使用 MPLAB® Harmony 3 嵌入式软件框架以及 MPLAB X 集成开发环境 (IDE) 和 MPLAB XC32 编译器。SAM9X60D1G SOM 的软件生态系统还包括 ARM 广泛的工具和库支持。这些工具和库包括 ARM 的功能安全运行时系统 (FuSa RTS)、软件测试库和 ARM 嵌入式编译器，对于基于 ARM Cortex-M CPU 的安全关键型开发至关重要。这些支持可确保开发人员获得必要的资源，以创建稳健、安全和高效的应用程序。此外，SAM9X60D1G 的设计通过将基于 ARM926EJ-S 处理器的 SAM9X60 MPU 与 1-Gbit DDR2-SDRAM 集成到单个封装中，使 PCB 开发更轻松、更稳健。这种集成降低了 PCB 布线的复杂性、面积和层数，从而简化了电路板设计并增强了信号完整性。

应用和用例

SAM9X60D1G 高性能、超低功耗芯片具有多功能和高效性能，可用于各种应用。

工业控制与自动化

SAM9X60D1G 广泛应用于工业控制和自动化系统。其嵌入式处理器可提供必要的计算能力，同时确保低功耗，是控制机器、监控流程和有效管理工业运行的理想之选。

智能家电

在智能电器领域，SAM9X60D1G 芯片对于增强功能和用户体验至关重要。它能以最小的功耗管理多项任务，确保冰箱、洗衣机和烤箱等智能电器高效运行，同时提供远程控制和自动设置等高级功能。

人机界面（HMI）

SAM9X60D1G 的高性能和低功耗要求使人机界面 (HMI) 受益匪浅。该芯片支持开发反应灵敏、直观的界面，对于控制制造、医疗保健和消费电子等行业的各种设备和系统至关重要。

物联网网关

该芯片在物联网（IoT）生态系统中也至关重要，尤其是在物联网网关中。这些网关是物联网设备和云之间的桥梁，需要高效的处理能力和低能耗，以有效处理数据传输和设备管理。

门禁控制面板

安全是 SAM9X60D1G 的另一个重要应用领域。它用于门禁控制面板，以管理建筑物和设施内的出入口。该芯片的可靠性和性能可确保安防系统顺利运行，维护禁区的完整性和安全性。

安全和警报系统

最后，SAM9X60D1G 在安防和报警系统中发挥着重要作用。这些系统需要持续监控和即时响应能力，而该芯片可在不降低能效的情况下提供这些功能。因此，它既适用于住宅安全解决方案，也适用于商业安全解决方案，可确保在出现安全漏洞时提供保护和快速警报。

.SAM9X60D1G 的各种用例表明，它在各种高性能、低功耗应用中的适应性和效率使其成为嵌入式系统市场的首选。

优势

SAM9X60D1G 高性能、超低功耗处理器具有多项优势，是各种应用的理想之选。这些优势源于其高效的设计、广泛的生态系统支持和可定制的架构。

能源效率

SAM9X60D1G 处理器的突出特点之一是其节能设计。高能效是其开发的重点，使其适用于电池供电和便携式设备。该处理器采用了动态电压和频率缩放（DVFS）等低功耗设计技术，可根据工作负载要求优化功耗。

.这使得 SAM9X60D1G 能够在不降低能效的情况下提供高性能，从而延长依赖电池的应用的运行时间。

高性能

尽管功耗低，但 SAM9X60D1G 并没有牺牲性能。该处理器能够处理复杂的计算任务，因此非常适合从嵌入式系统到高性能计算（HPC）的各种应用。

.ARM 架构的流水线和精简指令集有助于提高其高速性能，这一点已在各种基准测试和实际应用中得到证实。性能与效率的平衡确保 SAM9X60D1G 能够满足现代计算环境的需求。

可扩展性和多功能性

SAM9X60D1G 的模块化架构具有可扩展性和多功能性，可满足不同行业的各种需求。无论是用于微型传感器、移动设备还是功能强大的服务器，该处理器的设计都允许制造商根据自己的特定需求进行定制。这种可扩展性确保 SAM9X60D1G 能够适应从低功耗嵌入式系统到高性能计算等各种计算需求。

生态系统和兼容性

SAM9X60D1G 的另一个显著优势是与广泛的软件和硬件支持生态系统兼容。利用 ARM 成熟的基础设施，开发人员可以加快产品的开发和部署。围绕 ARM 处理器的成熟生态系统为各种应用提供了强大的支持，确保 SAM9X60D1G 能够无缝集成到现有系统中，并从 ARM 技术的不断进步中获益。

挑战与局限

未来的软件定义车辆（SDV）在整个生命周期内都会进行空中下载（OTA）更新，因此在微控制器单元（MCU）中保持一个具有增强安全功能的可信执行环境，对于防止恶意软件非法访问敏感信息或造成潜在的致命事故至关重要。

.功能安全在汽车中至关重要，尤其是在进行关键测量和执行的端点 MCU 中，因此有必要采用功能安全特性来检测和报告可能导致危险状况的故障。此外，随着自动驾驶等新技术的出现，功能安全的重要性也随之增加，从汽车行业扩展到工业、航空航天和交通运输等领域。例如，Cortex-M 系列在嵌入式控制器的各个性能点上集成了安全功能，从而能够开发出高效扩展的安全关键型系统。Cortex-M85、Cortex-M55 和 Cortex-M23 等型号配备了多种安全功能，可帮助合作伙伴实现安全目标。除了安全方面的挑战外，在不同的功耗和芯片成本限制下执行专门的人工智能工作负载也构成了另一个限制。Arm 的 "全面计算 "解决方案通过不同的 IP 集实现了专门的人工智能计算能力，例如用于图像增强的 Mali GPU 以及用于 "始终在线 "ML 用例的 Cortex-M55 和 Ethos-U55。虽然这些解决方案为开发人员提供了显著的性能和易用性，但在各种用例中实现最佳性能和效率仍然是一项复杂的任务。此外，不同处理器架构之间的市场动态也带来了额外的考虑因素。例如，使用 RISC-V 的企业可以完全控制其处理器设计，减少对单一供应商的依赖，并提供有利于保护知识产权的所有权控制。相反，Arm 的许可层级和专有元素提供了不同程度的访问和定制，根据企业的具体需求和目标，这既可能是一种优势，也可能是一种限制。

未来展望与发展

SAM9X60D1G 等高性能、超低功耗微控制器的未来前景不可限量，其特点是几大关键趋势和不断进步。随着微控制器的不断发展，预计它们将在塑造从智能城市到医疗创新的技术格局方面发挥越来越关键的作用，重新定义我们的期望和可能性。

.这些发展并非没有挑战，包括安全问题、某些应用的计算能力有限，以及在快速发展的领域需要标准化。不过，研究和开发工作正在积极应对这些挑战，为更先进、更安全的微控制器技术铺平道路。

微控制器技术的进步

微控制器从最初的不起眼发展至今，已成为现代生活各方面不可或缺的一部分，包括空间导航系统和卫星。微控制器在严苛环境中的可靠性和适应性凸显了其在未来卫星技术、增强自主性、数据处理以及与量子计算等新兴技术合作方面的潜力。

.这种互联和智能化的未来已超越了地面应用的范畴，凸显了微控制器功能的广阔前景。

竞争架构：RISC-V 与 ARM

在 RISC-V 和 ARM 体系结构的持续竞争中，ARM 凭借其持续的迭代、全面的生态系统和广泛的选择，在性能上保持着明显的优势。然而，RISC-V 的模块化特性和定制潜力为特定用例带来了希望，并在不断努力缩小性能差距

.这些体系结构之间的能效比较揭示了其能耗管理方面引人入胜的见解，这对于为其项目寻求合适解决方案的组织来说至关重要。ARM 的生态系统已经成熟，迄今为止 ARM 芯片的出货量已超过 1,800 亿颗，与之形成鲜明对比的是，RISC-V 的生态系统更年轻但发展迅速，其开源特性鼓励协作和创新。ETRI、SiPearl 和 Sandia 国家实验室等机构正在围绕 ARM 技术构建高性能计算系统，以满足不断增长的性能需求和功耗问题，从而展示了 ARM 从传感器到数据中心的可扩展性。