Nordic-nRF54L 系列架构全景：从蓝牙 6.0 到超低功耗设计详解

文章目录

1、nRF54L系列总概括
2、nRF54L系列功能
3、电源域
- - [1. 中央处理单元（CPU核心）](#1. 中央处理单元（CPU核心）)
  - [2. 内存架构](#2. 内存架构)
  - [3. 外设模块与总线分层](#3. 外设模块与总线分层)
  - [4. 电源域（Power Domains）](#4. 电源域（Power Domains）)
  - [5. 关键互连结构](#5. 关键互连结构)
  - [6. 调试与安全](#6. 调试与安全)
  - [7. GPIO与扩展性](#7. GPIO与扩展性)
  - 8.如何理解这张图？
4、内存
- - [1. CPU（Arm Cortex-M33）](#1. CPU（Arm Cortex-M33）)
  - [2. RAM（SRAM）分区](#2. RAM（SRAM）分区)
  - [3. Cache（缓存）](#3. Cache（缓存）)
  - [4. 外设接口总线](#4. 外设接口总线)
  - [5. AMBIX接口](#5. AMBIX接口)
  - [6. FLPR（Flash编程接口）](#6. FLPR（Flash编程接口）)
  - [7. LP Peripherals（低功耗外设）](#7. LP Peripherals（低功耗外设）)
  - [8. 内存映射（关键地址范围）](#8. 内存映射（关键地址范围）)
  - 实际开发中的应用建议
5、EasyDMA
6、相关推荐

1、nRF54L系列总概括

nRF54L15、nRF54L10 和 nRF54L05 构成了 nRF54L 系列。该系列中的所有无线片上系统（SoC）选项都集成了超低功耗多协议 2.4 GHz 无线电和 MCU（微控制器单元）功能，具有 128 MHz Arm® Cortex-M33 处理器、全面的外设集以及高达 1.5 MB NVM 和高达 256 KB RAM 的可扩展内存配置。

Nordic 专有技术（如低泄漏 RAM）和高级多协议无线电中采用的设计专业知识实现了超低功耗。nRF54L 系列中的每个无线 SoC 都具有更低的功耗，可延长电池寿命或减小电池尺寸。

nRF54L 系列 SoC 在设计时充分考虑了多功能性，适用于广泛的应用。多协议 2.4 GHz 无线电支持最新的蓝牙® 6.0 功能，包括蓝牙信道探测，以及适用于 Thread®、Matter 和 Zigbee® 等标准的 802.15.4-2020，以及支持高达 4 Mbps 的专有 2.4 GHz 模式，以实现更高的吞吐量。这些器件集成了无线微控制器中预期的外设，使许多产品能够通过单个芯片实现。集成的 RISC-V 协处理器进一步减少了对外部 IC 的需求。

2、nRF54L系列功能

nRF54L 系列无线 SoC 提供一系列内存和封装配置，包括引脚对引脚兼容选项。由于有多种存储器选项，因此找到适合应用的合适器件可以优化设计成本和灵活性。

主要特点

128 MHz Arm Cortex-M33® 处理器
高达 1.5 MB NVM 和高达 256 KB RAM 的可扩展内存配置
多协议 2.4 GHz 无线电，支持低功耗蓝牙、802.15.4-2020 和 2.4 GHz 专有模式（最高 4 Mbps）
全面的外设集，包括系统 OFF 中提供的新全局 RTC、14 位 ADC 和高速串行接口
128 MHz RISC-V 协处理器
高级安全性，包括 TrustZone® 隔离、篡改检测和加密引擎侧信道泄漏保护
超紧凑封装
- WLCSP 2.4 x 2.2 毫米
- QFN 6.0x6.0 毫米
多协议无线电
蓝牙 6.0、IEEE 802.15.4-2020 和支持 2.4 GHz 的收发器
- 在 1 Mbps 低功耗蓝牙模式下灵敏度为 -96 dBm，误码率为 0.1%
- 在 125 kbps 低功耗蓝牙模式（长距离）下灵敏度为 -104 dBm，误码率为 0.1%
- -102 dBm 典型灵敏度（IEEE 802.15.4 标准）
- 高达 +8 dBm 的可配置输出功率;1 dB 步长，从 -8 dBm 到 +8 dBm
- 支持的数据速率：
  - 蓝牙 6.0 -- 2 Mbps、1 Mbps、500 kbps 和 125 kbps
  - IEEE 802.15.4-2020 -- 250 kbps
  - 专有 2.4 GHz -- 4 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps
- 单端天线输出（片上巴伦）
- 128 位 AES/ECB/CCM/AAR 协处理器（动态作）
- RSSI （1 dB 分辨率）
平台安全性
- 安全/非安全内存保护
- 对称和非对称密钥加密加速器
- 安全的密钥管理
- 篡改检测
- 不可变引导分区
- 调试访问端口保护
- 两个看门狗定时器，用于安全和非安全访问
内存
- nRF54L15 -- 1524 KB 非易失性存储器（RRAM）和 256 KB RAM
- nRF54L10 -- 1022 KB 非易失性存储器（RRAM）和 192 KB RAM
- nRF54L05 -- 500 KB 非易失性存储器（RRAM）和 96 KB RAM
运行状态
- 1.7 V 至 3.6 V 电源和 I/O 电压
- 单个 32 MHz 晶振作
- 可选 32.768 kHz 时钟
- 工作温度从 -40°C 到 105°C
采用 TrustZone 技术的 Arm Cortex-M33,128 MHz
- 从非易失性内存运行 500 EEMBC CoreMark® 分数，每 MHz 3.90 CoreMark
- 单精度浮点单元（FPU）
- 内存保护单元（MPU）
- 数字信号处理（DSP）指令
- 数据观察点和跟踪（DWT）、嵌入式跟踪宏单元（ETM）、仪表跟踪宏单元（ITM）和交叉触发接口（CTI）
- 串行线调试（SWD）
- 跟踪端口接口单元（TPIU）
  - ITM 和 ETM 跟踪数据的 4 位并行跟踪
  - ITM 数据的串行线输出（SWO）跟踪
外设
- RISC-V 协处理器
- 全局 RTC （GRTC），可在 System OFF 模式下运行并实现共享系统定时器
- 7 个 32 位定时器，带计数器模式
- 多达 5 个功能齐全的串行接口，带 EasyDMA，支持 I2C、SPI 控制器/外设和 UART
  - 1 个高达 32 MHz 的高速 SPIM，4 个高达 8 MHz 的高速 SPIM
  - 1 个高达 4 Mbps 的高速 UARTE，4 个高达 1 Mbps 的 UARTE
  - I2C 至 400 kHz
- 三个带 EasyDMA 的脉宽调制器（PWM）单元
- I2S 双通道 Inter-IC 声音接口
- 具有多达 8 个可编程增益通道的 ADC。14 位 31.25 ksps，12 位 250 ksps 和最高 10 位 2 Msps。
- 脉冲密度调制（PDM）接口
- 近场通信（NFC）
- 多达 2 个正交解码器（QDEC）
- 比较器和低功耗比较器，可从 System OFF 模式唤醒
- 温度传感器
封装
- QFN48 6.0x6.0 mm，带 31 个 GPIO 引脚
- WLCSP 2.4x2.2 mm，带 32 个 GPIO 引脚
  - 300 μm 间距

3、电源域

方框图:框图说明了整个系统。

1. 中央处理单元（CPU核心）

Arm Cortex-M33 （128MHz）：
主处理器，负责运行应用程序，支持TrustZone安全扩展和浮点运算。
RISC-V协处理器 （FLPR/VPR）：
通常用于低功耗场景或专用任务处理（如传感器数据预处理），与M33协同工作。

2. 内存架构

RA400/RAM01/RR/AMC ：
不同用途的内存区域，可能包括：
- RA400：高速缓存或紧耦合内存（TCM）。
- RR/AMC：保留内存或加密内存区域。
非均匀访问设计：通过AMBIX互连总线连接，优化不同模块的内存访问效率。

3. 外设模块与总线分层

外设通过**APB（低速）和AHB（高速）**总线分层连接：

APB00-APB30 ：
外设分组示例：
- APB00：基础外设（AAR00加密模块、ECB00电子密码本）。
- APB20：丰富外设（SPIM20 SPI主机、TWIM20 I2C、UART20串口）。
- APB30：系统管理（WDT30看门狗、POWER电源控制）。
专用加速模块：如RADIO（2.4GHz射频）、NFCT（NFC标签读写）。

4. 电源域（Power Domains）

电源域划分实现动态功耗管理：

MCU PD：主CPU核心域，通常常开。
RADIO PD（32MHz）：射频模块独立供电，仅在通信时激活。
PERI PD（16MHz）：外设域，可按需关闭未使用外设。
LP PD（低功耗域）：包含GPIO P0/P1等，支持休眠状态唤醒。
动态切换：通过REGULATORS和CLOCK模块调节各域电压/频率。

5. 关键互连结构

AMBIX0-AMBIX3 ：
基于AMBA协议的64位互连总线，实现：
- 低延迟CPU与内存通信（AMBIX0）。
- 外设与DMA控制器数据交换（AMBIX2）。
DMA支持：通过DPPIC模块管理外设间直接数据传输，减少CPU负载。

6. 调试与安全

调试接口 ：
- AHB-AP/AUX-AP：用于JTAG/SWD调试访问。
- SPU（安全保护单元）：隔离敏感资源（如加密密钥）。
硬件加密：AAR00/ECB00模块支持AES-256等算法。

7. GPIO与扩展性

GPIO P0/P1/P2 ：
分组供电，支持独立唤醒（如P0在休眠时检测按键）。
复用功能：每个GPIO可配置为SPI/I2C/UART等外设引脚。

8.如何理解这张图？

横向看数据流 ：
CPU通过AMBIX总线访问内存，外设通过APB总线与CPU交互，射频等高速模块直连AHB。
纵向看电源管理 ：
不同电源域可独立开关（如关闭RADIO PD以省电），通过POWER模块协调。
设计意图 ：
Nordic通过模块化设计平衡性能与功耗，适合物联网设备（如蓝牙传感器）。

如果需要更具体的某部分（如RADIO时序或低功耗流程），可进一步展开说明。

多个电源域确保低功耗运行。

MCU 域包含一个 Arm Cortex-M33。CPU 连接到调试系统，允许调试和 ETM 跟踪。CPU 通过指令缓存执行来自 RRAM 的程序代码。数据存储在单周期 RAM 中，该 RAM 被划分为多个总线从属，但它在 memory map 中形成一个连续的 RAM 空间。高速外设也存在于 MCU 领域。

还有三个额外的域分配了外围设备。他们是以后：

Radio domain （无线电域） -- 包含无线电协议堆栈使用的短程无线电和支持外围设备。它与 MCU 域同步以 32 MHz 运行。
Peripheral domain （外围域） -- 包含大多数外围设备。它与 MCU 域同步以 16 MHz 的速度运行。
低功耗域 -- 包含用于超低功耗模式的外设，可用于唤醒系统的其余部分，即使外设域已关闭。它以 16 MHz 的速率与 MCU 域异步运行。

每个域都映射到一条 APB 总线，并且可以独立供电。来自每个域的 EasyDMA 流量聚合在本地 AMBIX 互连中，并且可以访问 MCU 域中的 RAM。

其中 3 个 Power Domain 有自己的 GPIO 端口。GPIO 引脚可由同一电源域中的外设使用。有关例外情况，请参阅 GPIO --- 通用输入/输出和 PIN 分配。

4、内存

带有 EasyDMA 的 CPU 和外设可以通过 AMBIX 互连访问内存。相同的 interconnect 也用于 CPU 对 peripheral registers 的访问。下图是简化的互连图。

1. CPU（Arm Cortex-M33）

功能：中央处理单元，执行指令和数据处理。
关键接口 ：
- S-AHB总线：系统高速总线，用于连接高性能外设（如Cache、RAM）。
- C-AHB总线：代码高速总线，专用于指令取指（如Flash访问）。
特点：支持TrustZone安全扩展和低功耗模式。

2. RAM（SRAM）分区

RAM00/RAM01 ：片内静态存储器（SRAM），分为多个地址块：
- 地址范围 ：例如 0x20000000-0x2003FFFF（32KB）。
- 用途：
  - 数据存储：全局变量、堆栈。
  - 代码执行（XIP）：可将关键代码拷贝到RAM加速运行。
SRAM其他块：可能用于特定外设的DMA缓冲区或安全隔离区域。

3. Cache（缓存）

类型：通常指指令/数据缓存（如L1 Cache）。
连接：通过S-AHB总线与CPU交互。
作用：减少访问Flash/RAM的延迟，提升性能。

4. 外设接口总线

AXI2APB桥 ：
- 功能：将高速AXI总线转换为低速APB总线，连接简单外设（如GPIO、UART）。
- 协议差异：AXI支持高吞吐量，APB适合低功耗外设。
EasyDMA ：
- 功能：轻量级DMA控制器，用于外设与RAM间直接数据传输（如ADC采样到内存）。
- 优势：无需CPU干预，降低功耗。

5. AMBIX接口

类型：AMBIX 是 Nordic 芯片内部的片上互联总线（基于 AMBA 协议），用于连接 CPU、内存和外设（类似于内部的高速公路网），它不是用于连接外部传感器（如温湿度计）的外部接口（如 SPI/I2C/UART）。
速度：图中标注了多组AMBIX（如32MHz、16MHz），可能用于连接外部传感器或无线模块（如蓝牙射频）。
用途：灵活配置为Master/Slave模式，支持多设备级联。

6. FLPR（Flash编程接口）

功能：用于固件更新或运行时Flash读写。
操作：通过特定寄存器擦除/编程Flash扇区。

7. LP Peripherals（低功耗外设）

示例：RTC（实时时钟）、WDT（看门狗）。
设计目标：在CPU休眠时维持基本功能，最小化能耗。

8. 内存映射（关键地址范围）

0x00000000-0x1FFFFFFF：通常为Flash区域（存储代码）。
0x20000000-0x3FFFFFFF：SRAM区域（数据）。
0x40000000-0x5FFFFFFF：外设寄存器地址空间。

实际开发中的应用建议

性能优化：将频繁访问的数据放入RAM或Cache。
DMA配置：使用EasyDMA处理高速数据流（如音频采集）。
低功耗设计：通过LP外设和休眠模式降低功耗。
安全隔离：利用TrustZone划分安全/非安全内存区域。

如果需要更具体的某部分（如DMA配置细节或地址分配），可进一步展开说明。

请参阅框图、AMBA 互连（AMBIX）和 EasyDMA 了解有关 AMBIX 互连和 EasyDMA 的更多信息。

RAM 和 RRAM 内存区域受 TrustZone® 安全性保护，并在重置后是安全的。可以使用 MPC --- 内存权限控制器将内存区域配置为不安全。

5、EasyDMA

EasyDMA 是一种硬件模块（常见于 Nordic 半导体芯片，如蓝牙低功耗芯片 nRF 系列），它的核心作用是让外设（如传感器、通信模块）直接和内存交换数据，跳过 CPU 的参与，从而大幅降低 CPU 负担和系统功耗

1.通俗比喻：

想象你要从仓库搬货到商店：

传统方式（无 DMA）：你需要亲自（CPU）一箱一箱搬运，全程不能做其他事。
使用 EasyDMA：你雇了一个快递员（EasyDMA），告诉它仓库地址、商店地址和搬运数量后，就可以去喝茶（CPU 休眠或处理其他任务）。快递员会自动搬完所有货物，完成后通知你。

2.主要作用：

省 CPU
CPU 不用参与数据搬运，可以处理其他任务（如算法、用户交互）或进入低功耗模式（对物联网设备省电至关重要）。
高效率
例如蓝牙芯片传输数据时，EasyDMA 能直接将射频模块收到的数据写入内存，或从内存读取数据发送出去，速度快且稳定。
低功耗
CPU 休眠时间越长，设备整体耗电越低（尤其适合电池供电的物联网设备）

3.典型应用场景：

传感器数据采集
比如温度传感器持续采集数据，EasyDMA 自动将数据存入内存，CPU 只在需要时批量处理。
无线通信（蓝牙/Wi-Fi）
发送/接收数据包时，EasyDMA 直接搬运数据，减少通信延迟。
音频传输
实时音频流通过 EasyDMA 传输，避免 CPU 频繁中断导致卡顿。

(八）Nordic实战--一步一步搭建开发工程