瑞萨RA系列MCU简介

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本系列教程目录：

• 瑞萨单片机开发教程[一] e2-studio + DAP LINK开发环境搭建
• 瑞萨单片机开发教程[二] Keil/RASC开发环境搭建
• 瑞萨单片机开发教程[三] 新建RASC工程
• 瑞萨单片机开发教程[四] GPIO输出——led实验
• 瑞萨单片机开发教程[五] GPIO输入——按键key实验
• 瑞萨单片机开发教程[六] ICU外部中断实验
• 瑞萨单片机开发教程[七] SCI UART串口通信实验
• 瑞萨单片机开发教程[八] DMAC 串口数据传输实验
• 瑞萨单片机开发教程[九] ADC 电压采集实验

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瑞萨RA系列芯片介绍

2.1 RA系列MCU介绍

瑞萨电子的 RA 系列 32 位微控制器（MCU）凭借采用高性能 Arm® Cortex®-M 处理器内核的多架构设计，在行业中处于领先地位。具有卓越的安全性、出色的 CoreMark® 性能、低功耗运行以及出色的无线连接能力。

瑞萨 RA 系列产品包括：

• RA0 系列，高性价比系列 32 位 MCU，提供超低功耗，运行频率最高可达 32MHz，配备 128KB 闪存。
• RA2 系列，入门级 32 位 MCU，兼具强劲性能与超低功耗，运行频率最高可达 64MHz，配备 512KB 闪存，且具有出色的成本优势。
• RA4 系列，运行频率最高可达 100MHz，既能满足合理的低功耗需求，又集成了丰富的外设功能。
• RA6 系列，运行频率最高可达 240MHz，且集成了各种通信接口。
• RA8 系列，高性能 32 位 MCU，搭载 Arm Cortex-M85 内核，运行频率最高可达 1GHz。部分产品搭载了 Ethos™-U55 NPU。

RA0 系列 – 入门级：RA0 系列入门系列中的基础，简单的 MCU，具有出色的成本效益和超低功耗。它使用 Arm Cortex-M23 内核提供高达 32MHz 的 CPU 性能，具有高达 64KB 的嵌入式闪存和 1.6V 至 5.5V 的宽电源电压范围。RA0 系列是成本敏感型应用的理想选择，如低功耗和低成本的消费电子产品、小家电系统控制、工业系统控制和楼宇自动化。

RA2 系列 – 低功耗：基于 Arm Cortex-M23 内核，最高频率 48 MHz，拥有高达 512 KB 的闪存和 64 KB 的 SRAM。电源电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括全速 USB、CAN、24 位 ∑-△ 模数转换器 (ADC)、16 位数模转换器 (DAC)、电容式触摸感应以及安全功能。

RA4 系列 – 高性能和出色的功耗：基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核构建，最高频率 100 MHz。高达 1 MB 的闪存和 128 KB 的 SRAM。电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括电容式触摸感应、段码式 LCD 控制器、全速 USB、CAN、安全功能以及数据转换器和定时器。RA4W1 系列器件还额外配备了 Bluetooth ® 低功耗 (BLE) 5.0。

RA6 系列 – 高性能：基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核。最高频率 200 MHz。高达 2 MB 的闪存和 640 KB 的 SRAM。电压范围为 2.7 V 到 3.6 V。外设包括数据转换器、定时器、外部存储总线、以太网、全速和高速 USB、CAN、安全功能、电容式触摸感应和用于 TFT 显示的图形 LCD 控制器，以及一个 2D 图形引擎。RA6T1 系列器件带有用于电机控制的增强型外设，如高分辨率 PWM 定时器或高级模拟模块。

RA8 系列 – 更高性能、人机界面、物联网和边缘计算：RA8 系列在瑞萨 RA MCU 系列产品组合中提供最高性能和最先进的功能集，采用行业领先的技术 Arm Cortex-M85 CPU 内核与 Helium™ M-profile 矢量扩展提供前所未有的性能，具有完全确定性、低延迟、实时操作，能够满足客户最苛刻的应用需求。

RA 系列产品特点及主要功能如上，选型时可根据需求选择适合型号 MCU。

2.2 RA产品系列型号命名含义

以 RA 的 MCU R7FA6M5BH2CBG 型号为例：

① R：表示瑞萨（Renesas）的意思。

②③ 7F：表示 MCU，内部包含 Flash 存储器。

④⑤ A6：表示 RA6 产品系列。

⑥⑦ M5：“M”表示主流产品，“5”表示产品组号。

⑧ B：表示功能特性集，这里的“B”表示带 CAN-FD，如果是“A”则表示不带。

⑨ H：表示内部 FLASH 容量，“H”为 2MB。

⑩ 2：表示工作温度范围，“2”为 -40°C ~ 85°C，“3”为 -40°C ~ 105°C。

⑪⑫⑬ 无 ：第 11、12、13 位表示工厂编程号。这三位是可选的，对于该型号没有这三位。

⑭ C：第 14 位表示质量等级为工业级。

⑮⑯ BG：第 15、16 位，“BG”表示封装为 FBGA 176 pins 封装，而“FC”则表示封装为 LQFP 176 pins 封装。

2.3 RA系列芯片寄存器介绍

2.3.1 模块与资源

MCU 芯片里面主要有两大部分，一是 CPU 内核，二是片上外设。以 RA6M5 芯片为例，RA6M5 所采用的 CPU 内核是 Cortex-M33（简称 CM33）。该 CPU 内核由 ARM 公司设计，但其实 ARM 公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。芯片生产厂商，比如 Renesas、ST、NXP、TI 等等，他们负责在 CPU 内核之外设计各个模块并生产整个芯片，这些内核之外的模块被称为“核外设备”或“片上外设”（Peripheral）。例如，RA6M5 芯片内部的外设模块：I/O Ports（GPIO）、SCI（串口）、I2C、SPI 等等，这些都叫做片上外设。

实际上，既然有“核外设备”，那必然也有“核内设备”，即 CPU 内核（Cortex-M33）内部也是具有一定的设备模块的结构的。例如，CPU 内部有 NVIC（嵌套向量中断控制器）、FPU（浮点计算单元）等等。

标着 “Arm Cortex-M33” 的方框，其所表示的便是 CPU 内核，其中包含的小方框（DSP、FPU、MPU、NVIC 等）属于内核的设备。

除了 “Arm Cortex-M33” 的方框以外，还有很多个大方框，它们对片上的全部外设模块进行了一个分类，大方框当中的小方框表示的是外设模块。

存储器模块（Memory）	Flash、SRAM
直接内存访问（DMA）	DTC、DMAC
总线（Bus）	CSC、MPU
系统（System）	POR/LVD、Reset、Mode control、Power control、 ICU、Clocks、CAC、 Battery backup、Register write protection
定时器（Timers）	GPT、AGT、RTC、WDT/IWDT
通讯接口（Communication interfaces）	SCI、IIC、SPI、QSPI、OSPI、SDHI、ETHERC、 CAN-FD、USBHS、USBFS、CEC
人机交互接口（Human machine interface）	CTSU
模拟（Analog）	ADC、DAC、TSN
数据处理（Data processing）	CRC、DOC
事件链接（Event link）	ELC
安全（Security）	SCE9

RA6M5 芯片 Cortex-M33 CPU 内核结构如图。

2.3.2 存储器映射

给存储器分配地址的过程叫存储器映射，寄存器是一类特殊的存储器，它的每个位都有特定的功能，可以实现对外设/功能的控制，给寄存器的地址命名的过程就叫寄存器映射。

1.存储器映射表

RA6M5 芯片内部的存储器被映射到这一整块 4G（0 ~ 0xFFFF FFFF）的地址空间中。除了寄存器和 SRAM、Flash 的地址空间区域以外，还存在着其他类型的地址空间区域，比如 QSPI area 和 OSPI area。Reserved area 表示的是保留区域。

2.存储器区域划分

存储器本身不具有地址信息，它的地址是由芯片厂商或用户分配，给存储器分配地址的过程就称为存储器映射。

区域地址范围	区域用途
0x0000_0000 ~ 0x002F_FFFF	On-chip flash (code flash)：片上 Flash（代码）
0x0100_80F0 ~ 0x0100_81B3	On-chip flash (Factory flash)：片上 Flash（出厂保留）
0x0100_A100 ~ 0x0100_A2FF	On-chip flash (option-setting flash)：片上 Flash（选项设置）
0x0800_0000 ~ 0x0800_1FFF	On-chip flash (data flash)：片上 Flash（数据）
0x2000_0000 ~ 0x2007_FFFF	SRAM0
0x2800_0000 ~ 0x2800_03FF	Standby SRAM
0x4000_0000 ~ 0x4017_FFFF	Peripheral I/O registers：外设寄存器
0x407E_0000 ~ 0x407E_FFFF	Flash I/O registers：Flash 寄存器
0x407F_C000 ~ 0x407F_FFFF	Flash I/O registers：Flash 寄存器
0x6000_0000 ~ 0x67FF_FFFF	External address space (Quad SPI area)：外部 QSPI 存储器地址
0x6800_0000 ~ 0x7FFF_FFFF	External address space (Octa SPI area)：外部 OSPI 存储器地址
0x8000_0000 ~ 0x87FF_FFFF	External address space (CS area)：外部存储器地址
0xE000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF	System for Cortex-M33：处理器内核设备寄存器

表格中的 “0x4000_0000 ~ 0x4017_FFFF ” 区域，它映射到了绝大部分外设模块的寄存器。

2.3.3 外设基地址和外设寄存器地址

在芯片手册第 19 章“I/O Ports”当中的第 2 小节为“Register Descriptions”，此小节详细描述了外设模块 IOPORT（即 GPIO）的寄存器。

Base address 为该外设的基地址，也就是 IO 端口的基地址。因为 RA6M5 的 IO 端口不止有一个，而是有 16 个端口（用 PORTm 表示，m = 0~9, A, B），所以每一个端口都有一个基地址，每个端口的基地址都可以用图中的公式来计算出来。

Offset address 为该外设寄存器的地址偏移，图中的寄存器为 PCNTR1/PODR/PDR 寄存器，而“Offset address: 0x000”表示的是该寄存器相对于基地址的偏移量。

要读取 PORT1 的 PCNTR1/PODR/PDR 寄存器的值时，先计算出该寄存器的地址为 (0x40080000 + 0x0020*1)，然后再把该地址值转换为 C 语言的指针 (uint32_t *)(0x40080000 + 0x0020*1)，最后再取值即可读出该寄存器的值 *( (uint32_t *)(0x40080000 + 0x0020*1) )。

每一种外设模块下面都会有多个寄存器，每个寄存器都有特定的功能。对于一些功能相对复杂的外设来说，它们的寄存器数量可以达到十几个甚至几十个。以 IOPORT1 为例，它的基地址为：0x40080020，下表则展示了它部分的寄存器名称、寄存器地址以及相对于基地址的偏移。

寄存器名称	寄存器地址	相对于基地址的偏移
PCNTR1/PODR/PDR	0x40080020	0x000
PCNTR2/EIDR/PIDR	0x40080024	0x004
PCNTR3/PORR/POSR	0x40080028	0x008
PCNTR4/EORR/EOSR	0x4008002C	0x00C

外设基地址

①该基地址包含的寄存器名称。

②PORTm 外设模块基地址，从 0x40080000 开始，每个 port 占用 0x20 字节大小地址，PORTm 包含 PORT0~PORTB。

③寄存器偏移地址。

④地址 bit 位说明，一个寄存器 32bit，“Bit position”为位号，指示该位处于该寄存器中的位置；“Bit field”为位域，一般不同的位域有不同的作用；“Value after reset”为复位值，指示该位的复位值。

⑤位域功能说明。这部分为对每一个位域的功能的详细说明。

⑥说明提示，有些寄存器操作需要注意。

2.3.4 C 语言操作寄存器

通过查看芯片数据手册，知道外设端口的寄存器地址，想要操作寄存器，就可以通过 C 语言取地址，这样就可以读写寄存器地址的数据。

定义 PORT 外设基地址

/* 外设基地址 */
#define R_PORT0_BASE          0x40080000
#define R_PORT1_BASE          0x40080020
#define R_PORT2_BASE          0x40080040
#define R_PORT3_BASE          0x40080060
#define R_PORT4_BASE          0x40080080
#define R_PORT5_BASE          0x400800A0
#define R_PORT6_BASE          0x400800C0
#define R_PORT7_BASE          0x400800E0
#define R_PORT8_BASE          0x40080100
#define R_PORT9_BASE          0x40080120
#define R_PORT10_BASE         0x40080140
#define R_PORT11_BASE         0x40080160
#define R_PFS_BASE            0x40080800
#define R_PMISC_BASE          0x40080D00

定义寄存器结构体

外设有很多，每个外设又包含很多寄存器，一个寄存器又包含多个寄存器位域，如上述 PCNTR1 包含 PDR 和 PODR 两个位域功能，015 位属于 PDR，1631 位属于 PODR。而 PORT0 一个外设地址包含 PCNTR1、PCNTR2、PCNTR3、PCNTR4 这 4 个寄存器，这样可以利用 C 语言的结构体和联合体的特性定义寄存器和位域。

/**
* @brief I/O Ports (R_PORT0)
*/
typedef struct                         /*!< (@ 0x40040000) R_PORT0 Structure */
{
    union
    {
        __IOM uint32_t PCNTR1;        /*!< (@ 0x00000000) Port Control Register 1 */

        struct
        {
            __IOM uint32_t PDR  : 16; /*!< [15..0] Pmn Direction（引脚Pmn 方向）*/
            __IOM uint32_t PODR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Data（引脚Pmn 输出数据）*/
        } PCNTR1_b;
    };

    union
    {
        __IM uint32_t PCNTR2;        /*!< (@ 0x00000004) Port Control Register 2 */

        struct
        {
            __IM uint32_t PIDR : 16; /*!< [15..0] Pmn Input Data（引脚Pmn 输入数据）*/
            __IM uint32_t EIDR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Input Data（引脚Pmn 事件输入数据）*/
        } PCNTR2_b;
    };

    union
    {
        __OM uint32_t PCNTR3;        /*!< (@ 0x00000008) Port Control Register 3 */

        struct
        {
            __OM uint32_t POSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Output Set（引脚Pmn 输出置位）*/
            __OM uint32_t PORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Output Reset（引脚Pmn 输出复位）*/
        } PCNTR3_b;
    };

    union
    {
        __IOM uint32_t PCNTR4;        /*!< (@ 0x0000000C) Port Control Register 4 */

        struct
        {
            __IOM uint32_t EOSR : 16; /*!< [15..0] Pmn Event Output Set（引脚Pmn 事件输出置位）*/
            __IOM uint32_t EORR : 16; /*!< [31..16] Pmn Event Output Reset（引脚Pmn 事件输出复位）*/
        } PCNTR4_b;
    };
} R_PORT0_Type;                        /*!< Size = 16 (0x10) */

定义外设寄存器

定义了基地址和 R_PORT0_Type 寄存器结构体之后，通过 (R_PORT0_Type *) 指针类型指向基地址，这样就把基地址转换成结构体类型指针，这样定义的外设寄存器可以方便地通过结构体变量去读写数据。

#define R_PORT0           ((R_PORT0_Type *) R_PORT0_BASE)
#define R_PORT1           ((R_PORT0_Type *) R_PORT1_BASE)
#define R_PORT2           ((R_PORT0_Type *) R_PORT2_BASE)
#define R_PORT3           ((R_PORT0_Type *) R_PORT3_BASE)
#define R_PORT4           ((R_PORT0_Type *) R_PORT4_BASE)
#define R_PORT5           ((R_PORT0_Type *) R_PORT5_BASE)
#define R_PORT6           ((R_PORT0_Type *) R_PORT6_BASE)
#define R_PORT7           ((R_PORT0_Type *) R_PORT7_BASE)
#define R_PORT8           ((R_PORT0_Type *) R_PORT8_BASE)
#define R_PORT9           ((R_PORT0_Type *) R_PORT9_BASE)
#define R_PORT10          ((R_PORT0_Type *) R_PORT10_BASE)

寄存器读写

对寄存器的操作就是对寄存器位的操作，C 语言对位的操作就是利用位运算符&、|、~、<<、>>。

1. 清零寄存器某一位

清零操作使用按位与“&”运算符。

//清零某个位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<0); //清零PODR寄存器的第0位
R_PORT0->PODR &= ~(1u<<6); //清零PODR寄存器的第6位

//清零多个位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<0); //清零PODR寄存器的第0,1位
R_PORT0->PODR &= ~(3u<<6); //清零PODR寄存器的第6,7位

2. 置1寄存器某一位

置1操作使用按位或“|”运算符。

//置位某个位
R_PORT0->PODR |= 1u<<0; //PODR寄存器的第0位置1
R_PORT0->PODR |= 1u<<6; //PODR寄存器的第6位置1

//置位多个位
R_PORT0->PODR |= 3u<<0; //PODR寄存器的第0,1位置1
R_PORT0->PODR |= 3u<<6; //PODR寄存器的第6,7位置1

3. 取反寄存器某一位

取反操作使用按位异或“^”运算符。

//取反某个位
R_PORT0->PODR ^= 1u<<0; //取反PODR寄存器的第0位
R_PORT0->PODR ^= 1u<<6; //取反PODR寄存器的第6位

//取反多个位
R_PORT0->PODR ^= 3u<<0; //取反PODR寄存器的第0,1位
R_PORT0->PODR ^= 3u<<6; //取反PODR寄存器的第6,7位