2024年12月16日单板计算机

新一代微控制器：深入了解 Raspberry Pi RP2350

Raspberry Pi RP2350 是 Raspberry Pi 推出的新一代微控制器，它在上一代 RP2040 的基础上进行了重大改进。本文将深入探讨 RP2350 的功能特性、与 RP2040 的比较、A 和 B 型板的差异、开发选择和限制、GPIO 引脚特点以及应用案例，特别关注 USB 主机和设备模拟相关的例子。

1. RP2350 的功能特性

RP2350 是一款强大的微控制器，具有以下关键特性：

双核架构：RP2350 搭载了双核 Arm Cortex-M33 处理器或 Hazard3 RISC-V 处理器，运行频率高达 150 MHz，性能远超 RP2040。
丰富的内存：它拥有 520 kB 的片上 SRAM，分为 10 个独立的存储区，并支持通过专用 QSPI 总线连接高达 16 MB 的外部 QSPI 闪存/PSRAM，此外还可通过可选的第二个芯片选择连接额外的 16 MB 闪存/PSRAM。
多功能外设：RP2350 集成了丰富的外设，包括 2 个 UART、2 个 SPI 控制器、2 个 I2C 控制器、24 个 PWM 通道、支持主机和设备模式的 USB 1.1 控制器和 PHY、12 个 PIO 状态机以及 1 个 HSTX 外设。
片上电源管理：它内置了开关模式电源，可生成内核电压。
灵活的封装选项：RP2350 提供 QFN-80 (10 × 10 mm) 和 QFN-60 (7 × 7 mm) 两种封装选择，并有带和不带封装内闪存的版本。

2. 与 RP2040 的比较

与上一代 RP2040 相比，RP2350 具有以下优势：

更高的时钟频率：RP2350 的时钟频率为 150 MHz，而 RP2040 为 133 MHz。
更多的引脚和 GPIO：RP2350 B 型号具有 80 个引脚和 48 个 GPIO，而 RP2040 只有 40 个引脚和 26 个 GPIO。
更大的内存容量：RP2350 集成了 520 KB 的 SRAM，而 RP2040 只有 264 KB。此外，RP2354 型号还内置了 2 MB 闪存，而 RP2040 则需要外部闪存芯片。
更多的模拟输入：RP2350 B 型号具有 8 个模拟输入，而 RP2040 和 RP2350 A 型号只有 4 个。
更强大的内核：RP2350 采用了 Arm Cortex-M33 内核，它基于 Armv8-M 架构，支持硬件除法和更多 32 位指令，性能和功耗都优于 RP2040 的 Arm Cortex-M0+ 内核。
增强的安全性：Cortex-M33 内核增强了安全性，更适合物联网应用。

3. RP2350 A 和 B 型板的区别

RP2350 分为 A 和 B 两个型号，主要区别在于封装尺寸、引脚数量和 GPIO 数量：

RP2350A 采用 QFN-60 封装，具有 60 个引脚和 30 个 GPIO。
RP2350B 采用 QFN-80 封装，具有 80 个引脚和 48 个 GPIO。

此外，B 型号还具有 8 个模拟输入，而 A 型号只有 4 个。选择哪种型号取决于项目的具体需求，如果需要更多的 GPIO 或模拟输入，则应选择 B 型号。

4. 开发选择和限制

RP2350 的开发工具和软件支持非常丰富，但也存在一些限制：

官方 SDK：Raspberry Pi 提供了官方 SDK，支持使用 C/C++、MicroPython 和 CircuitPython 等语言进行开发。
VS Code 集成：推荐使用 Visual Studio Code 进行开发，它提供了 Raspberry Pi Pico 扩展，可以方便地创建、编译和调试项目。
启动过程复杂：RP2350 的启动过程比 RP2040 复杂得多，需要仔细研究数据手册才能理解。
工具链差异：RP2350 的工具链与 RP2040 不同，需要安装新的编译器和调试器。
裸机编程挑战：由于启动过程和工具链的差异，进行裸机编程比较困难，需要深入了解芯片架构和启动流程。

5. RP2350 GPIO 的引脚特点

RP2350 的 GPIO 引脚具有以下特点：

多功能性：每个 GPIO 引脚都可以连接到多种内部外设，也可以通过软件直接控制。
模拟输入功能：部分 GPIO 引脚具有模拟输入功能，可以连接到 ADC 进行电压采样。
可配置性：GPIO 引脚的方向、输出电平和输入电平都可以通过 GPIO 控制寄存器进行配置。
隔离寄存器：RP2350 新增了隔离寄存器，可以在低功耗状态下保存焊盘状态，由软件清除。

6. 应用案例

RP2350 适用于各种应用场景，以下是一些与 USB 主机和设备模拟相关的例子：

USB 主机：RP2350 可以作为 USB 主机，连接 USB 设备，例如键盘、鼠标、U 盘等。它可以通过 USB 控制器和 PHY 与这些设备通信，并通过软件控制数据传输。

例如，可以将 RP2350 连接到 U 盘，读取存储在 U 盘上的文件，并将文件内容显示在 LCD 屏幕上。

还可以将 RP2350 连接到键盘，读取键盘输入，并将输入内容发送到另一个设备，例如电脑或手机。

USB 设备模拟：RP2350 可以模拟各种 USB 设备，例如 HID 设备、串口设备、大容量存储设备等。它可以通过 USB 控制器和 PHY 与主机通信，并通过软件模拟设备的行为。

例如，可以将 RP2350 模拟成一个 HID 设备，例如鼠标，并将 RP2350 上的传感器数据发送到电脑，控制电脑上的鼠标指针。
还可以将 RP2350 模拟成一个串口设备，将 RP2350 上的 UART 数据发送到电脑，实现与电脑的串口通信。

RP2350 是一款功能强大且灵活的微控制器，它为各种应用场景提供了无限的可能性。 相信随着 RP2350 生态系统的不断发展，我们将看到更多基于 RP2350 的创新应用。

开发环境搭建

使用Arduino IDE开发

安装步骤：

添加开发板支持：

Arduino IDE → 文件 → 首选项 → 附加开发板管理器网址
添加: https://github.com/earlephilhower/arduino-pico/releases/download/global/package_rp2040_index.json

安装开发板包：

工具 → 开发板 → 开发板管理器
搜索 "RP2040" 或 "Raspberry Pi Pico"
安装 "Raspberry Pi Pico/RP2040"

选择开发板：

工具 → 开发板 → Raspberry Pi Pico
工具 → 端口 → 选择正确的串口

基础示例代码：

// LED闪烁
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(1000);
  Serial.println("Hello RP2350!");
}

使用C/C++ SDK开发

环境准备：

# 安装依赖（Ubuntu/Debian）
sudo apt update
sudo apt install cmake gcc-arm-none-eabi libnewlib-arm-none-eabi build-essential

# 克隆SDK
git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk.git
cd pico-sdk
git checkout master

# 设置环境变量
export PICO_SDK_PATH=/path/to/pico-sdk

创建项目：

mkdir my_project && cd my_project

cat > CMakeLists.txt << 'CMAKE'
cmake_minimum_required(VERSION 3.13)
include($ENV{PICO_SDK_PATH}/external/pico_sdk_import.cmake)
project(my_project C CXX ASM)
set(CMAKE_C_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
pico_sdk_init()
add_executable(my_project main.c)
pico_add_extra_outputs(my_project)
target_link_libraries(my_project pico_stdlib)
CMAKE

cat > main.c << 'C'
#include "pico/stdlib.h"

int main() {
    stdio_init_all();
    const uint LED_PIN = 25;
    gpio_init(LED_PIN);
    gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
    
    while (true) {
        gpio_put(LED_PIN, 1);
        sleep_ms(1000);
        gpio_put(LED_PIN, 0);
        sleep_ms(1000);
    }
    return 0;
}
C

编译和烧录：

mkdir build && cd build
cmake ..
make

# 按住BOOTSEL按钮，连接USB，将.uf2文件拖拽到RPI-RP2磁盘

使用Python开发（MicroPython）

安装MicroPython固件：

下载MicroPython UF2固件：https://micropython.org/download/RPI_PICO2/
按住BOOTSEL按钮，连接USB
将UF2文件拖拽到RPI-RP2磁盘

使用Thonny IDE：

# 安装Thonny
sudo apt install thonny

MicroPython示例：

# LED闪烁
from machine import Pin
import time

led = Pin(25, Pin.OUT)
while True:
    led.toggle()
    time.sleep(1)

# ADC读取
from machine import ADC, Pin
import time

adc = ADC(26)  # GP26
while True:
    value = adc.read_u16()
    voltage = value * 3.3 / 65535
    print(f"ADC: {value}, Voltage: {voltage:.2f}V")
    time.sleep(0.5)

高级功能应用

PIO（可编程IO）应用

PIO是RP2350的独特功能，允许用户自定义硬件状态机来处理IO操作。

应用案例：

WS2812 LED驱动：

#include "hardware/pio.h"
#include "ws2812.pio.h"

#define LED_PIN 16
PIO pio = pio0;
uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);
uint offset = pio_add_program(pio, &ws2812_program);
ws2812_program_init(pio, sm, offset, LED_PIN, 800000, false);

// 发送颜色数据
uint32_t color = 0xFF0000;  // 红色
pio_sm_put_blocking(pio, sm, color << 8);

自定义通信协议：

.pio
.program custom_uart
.side_set 1

wrap_target
    set x, 7
    set pins, 0
    side 0
bitloop:
    out pins, 1
    side 1 [2]
    jmp x-- bitloop
    set pins, 1
    side 0 [2]
wrap

安全特性

Secure Boot配置：

// 在CMakeLists.txt中启用
pico_set_binary_type(my_project copy_to_ram)

# 生成签名密钥
openssl genrsa -out private_key.pem 2048
openssl rsa -in private_key.pem -pubout -out public_key.pem

# 签名固件
python3 sign_firmware.py --key private_key.pem --input app.bin --output app_signed.bin

TrustZone应用：

#include "hardware/structs/tz.h"

// 设置GPIO为非安全访问
tz_configure_gpio_nonsecure(15);

// 配置UART为非安全访问
tz_configure_peripheral_nonsecure(UART0_IRQn);

实战项目案例

项目1：USB HID键盘模拟器

功能：模拟USB键盘，实现自动输入

代码：

#include "tusb.h"
#include "bsp/board_api.h"

typedef struct {
    uint8_t modifier;
    uint8_t reserved;
    uint8_t keycode[6];
} keyboard_report_t;

void send_key(uint8_t keycode) {
    keyboard_report_t report = {0};
    report.keycode[0] = keycode;
    tud_hid_keyboard_report(0, 0, report.keycode);
    sleep_ms(100);
    
    report.keycode[0] = 0;
    tud_hid_keyboard_report(0, 0, report.keycode);
}

int main() {
    board_init();
    tusb_init();
    
    while (true) {
        tud_task();
        // 检测按钮并发送按键
    }
    return 0;
}

项目2：多通道数据采集系统

功能：8通道模拟信号采集，USB传输到PC

硬件：

RP2350开发板
CD4051模拟多路复用器
8路模拟信号输入

代码框架：

#include "hardware/adc.h"
#include "hardware/gpio.h"

#define MUX_PIN_0 16
#define MUX_PIN_1 17
#define MUX_PIN_2 18
#define ADC_PIN 26

void select_channel(uint8_t channel) {
    gpio_put(MUX_PIN_0, channel & 0x01);
    gpio_put(MUX_PIN_1, (channel >> 1) & 0x01);
    gpio_put(MUX_PIN_2, (channel >> 2) & 0x01);
    sleep_us(10);
}

void acquire_data(void) {
    adc_init();
    adc_gpio_init(ADC_PIN);
    adc_select_input(0);
    
    for (int ch = 0; ch < 8; ch++) {
        select_channel(ch);
        uint16_t value = adc_read();
        printf("Channel %d: %d\n", ch, value);
    }
}

int main() {
    stdio_init_all();
    
    // 初始化GPIO
    gpio_init(MUX_PIN_0);
    gpio_init(MUX_PIN_1);
    gpio_init(MUX_PIN_2);
    gpio_set_dir(MUX_PIN_0, GPIO_OUT);
    gpio_set_dir(MUX_PIN_1, GPIO_OUT);
    gpio_set_dir(MUX_PIN_2, GPIO_OUT);
    
    while (true) {
        acquire_data();
        sleep_ms(1000);
    }
    return 0;
}

性能优化技巧

内存优化

使用XIP（Execute In Place）：

// 将常量数据放在Flash中
const uint8_t lookup_table[256] __attribute__((section(".rodata"))) = {
    // 数据...
};

动态内存管理：

// 使用内存池而非malloc
#define POOL_SIZE 4096
static uint8_t memory_pool[POOL_SIZE];
static size_t pool_offset = 0;

void* pool_alloc(size_t size) {
    if (pool_offset + size > POOL_SIZE) return NULL;
    void* ptr = &memory_pool[pool_offset];
    pool_offset += size;
    return ptr;
}

功耗优化

使用睡眠模式：

#include "hardware/structs/scb.h"

void enter_sleep(void) {
    // 配置唤醒源
    // ...
    
    // 进入睡眠
    __wfi();  // Wait For Interrupt
}

动态调整时钟频率：

#include "hardware/clocks.h"

// 降低系统时钟以节省功耗
set_sys_clock_khz(48000, true);  // 48MHz

常见问题解答

Q1：RP2350与RP2040代码兼容吗？

A：大部分代码兼容，但需要注意：

PIO指令集有差异
新增的安全特性需要额外配置
部分寄存器地址不同
建议使用新版SDK

Q2：如何选择ARM Cortex-M33还是RISC-V？

A：

ARM Cortex-M33：生态成熟，工具链完善，适合大多数应用
RISC-V：开源架构，未来潜力大，适合研究和特定场景

Q3：如何调试PIO程序？

A：

使用PIOASM编译器预编译
通过调试器查看PIO状态机
使用逻辑分析仪观察IO波形
添加调试输出到UART

Q4：RP2350适合做音频处理吗？

A：

适合简单音频应用（I2S、PWM输出）
不适合复杂DSP（算力有限）
可以使用外部DAC提高音质
建议采样率不超过48kHz

学习资源推荐

官方资源

社区资源

教程和视频

YouTube：搜索 “RP2350 tutorial”
B站：搜索 “树莓派Pico”
GitHub：搜索 “rp2350-examples”

书籍推荐

《Raspberry Pi Pico for Beginners》
《Getting Started with MicroPython on Raspberry Pi Pico》
《Embedded Systems with RP2040》

总结

RP2350是一款功能强大的微控制器，相比RP2040有显著提升：

核心优势：

✅ 更强的CPU性能（Cortex-M33 vs M0+）
✅ 翻倍的SRAM（520KB vs 264KB）
✅ 增强的安全特性（TrustZone、Secure Boot）
✅ 更多的PIO状态机（12个 vs 8个）
✅ AI加速能力（DSP扩展）

适用场景：

需要更高性能的应用
安全性要求高的场景
复杂IO控制需求
边缘AI推理
USB设备和主机应用

开发建议：

从官方示例开始，熟悉基础功能
充分利用PIO进行创新IO设计
利用安全特性保护产品
参与社区，分享和学习经验

RP2350为嵌入式开发带来了更多可能性，相信随着生态系统的完善，会有更多创新应用涌现。开始你的RP2350之旅吧！

相关资源：