nRF54L 系列架构全景：蓝牙 6.0 与超低功耗设计详解

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？

1. 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。
2. 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。
3. 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）。

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。

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

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

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：

1. 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）。
2. 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。
3. 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。