MCU的架構詳解

　　Microcontroller（微控制器）又可簡(jiǎn)稱(chēng)MCU或μC，也有人稱(chēng)為單芯片微控制器（Single Chip Microcontroller），將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個(gè)芯片中，為不同的應用場(chǎng)合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過(guò)這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位，8位，到現在的16位及32位，甚至64位。產(chǎn)品的成熟度，以及投入廠(chǎng)商之多，應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠(chǎng)因

　　開(kāi)發(fā)較早，產(chǎn)品線(xiàn)廣，所以技術(shù)領(lǐng)先，而本土廠(chǎng)商則以多功能為產(chǎn)品導向取勝。但不可諱言的，本土廠(chǎng)商的價(jià)格戰是對外商造成威脅的關(guān)鍵因素。 由于制程的改進(jìn)，8位MCU與4位MCU價(jià)差相去無(wú)幾，8位已漸成為市場(chǎng)主流；針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產(chǎn)，目前4位MCU大部份應用在計算器、車(chē)表、車(chē)用防盜裝置、呼叫器、無(wú)線(xiàn)電話(huà)、CD Player、LCD驅動(dòng)控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等；8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動(dòng)玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來(lái)電辨識器（Caller ID）、電話(huà)錄音機、CRT Display、鍵盤(pán)及USB等；16位MCU大部份應用在行動(dòng)電話(huà)、數字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、 Router、工作站、ISDN電話(huà)、激光打印機與彩色傳真機；64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統、高級電視游樂(lè )器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。

　　而在MCU開(kāi)發(fā)方面，以架構而言，可分為兩大主流;RISC（如HOLTEK HT48XXX系列）與CISC（如華邦W78系列）。 RISC （Reduced InstrucTIon Set Computer） 代表MCU的所有指令都是利用一些簡(jiǎn)單的指令組成的，簡(jiǎn)單的指令代表 MCU 的線(xiàn)路可以盡量做到最佳化，而提高執行速率，相對的使得一個(gè)指令所需的時(shí)間減到最短。HOLTEK的HT46XX（A/D MCU系列） HT47XX（R to F MCU系列） HT48XX（一般I/O MCU系列） HT49XX（LCD MCU系列） 便是采用 RISC 結構來(lái)設計。不管是 RISC 或是 CISC（Complex InstrucTIon Set Computer），設計MCU的目的便是為人類(lèi)服務(wù)的，對于 RISC 來(lái)說(shuō)，因為指令集的精簡(jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由『編譯程序』（compiler） 來(lái)執行，而 CISC MCU因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數個(gè)指令來(lái)代替，compiler 的工作因而減少許多。

　　以一個(gè)數值運算程序來(lái)說(shuō)，使用 CISC 指令集的MCU運算對于一個(gè)積分表達式可能只需要十個(gè)機器指令，而 RISC MCU在執行相同的程序時(shí)，卻因為CPU 本身不提供浮點(diǎn)數乘法的指令，所以可能需要執行上百個(gè)機器指令 （但每一個(gè)指令可能只需要 CISC 指令十分之一的時(shí)間），而由程序語(yǔ)言轉換成機器指令的動(dòng)作是由程序語(yǔ)言的 Compiler 來(lái)執行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會(huì )較復雜 。因為同樣一個(gè)高級語(yǔ)言 A=B*C 的運算，在 RISC MCU轉換為機器指令可能有許多種組合，而每一種組合的『時(shí)間/空間』組合都不盡相同。 所以 RISC 與 CISC 的取舍之間，似乎也是MCU硬件架構與軟件（Compiler） 的平衡之爭，應該沒(méi)有絕對優(yōu)勢的一方，只能說(shuō)因應不同的需求而有不同的產(chǎn)品，例如工作單純的打印機核心 MCU，便適合使用效能穩定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU。

　　MCU的基本構架：

　　以架構而言，MCU可分為兩大主流∶RISC與CISC。RISC （Reduced InstrucTIon Set Computer）代表MCU的所有指令都是利用一些簡(jiǎn)單的指令組成的，簡(jiǎn)單指令代表MCU的線(xiàn)路可以盡量做到最佳化，提高執行速率可使指令所需的時(shí)間減到最短。HOLTEK公司的HT46XX、HT47XX、HT48XX、HT49XX便是采用 RISC結構來(lái)設計。

　　不管是RISC或是CISC（Complex InstrucTIon Set Computer），設計MCU的目的都是為人類(lèi)服務(wù)的，對於RISC來(lái)說(shuō)，因為指令集的精簡(jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由“編譯程序 （compiler）”來(lái)執行，而CISC MCU因為硬體所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數個(gè)指令來(lái)代替，編譯程序的工作因而減少許多。

　　一般來(lái)說(shuō)，MCU基本架構包括有程式記憶體（Program ROM）、累積器（Accumulator）、寄存器（Register）、堆疊（Stack）及堆疊指標（Stack Pointer）、I/O口、定時(shí)/定時(shí)/計數器、中斷（Interrupt）。MCU還可以加掛一些周邊資源，以擴充和延伸MCU的功能，這也正是系統設計工程師實(shí)現“產(chǎn)品差異化”的關(guān)鍵。這些周邊資源包括：

　　1、串行輸出（Serial I/O）

　　MCU內含Serial I/O是為了提供對外部周邊設備的通訊管道，各家種類(lèi)不同，常見(jiàn)的有以下幾種∶

　?。?） UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）∶英代爾（Intel）、愛(ài)特梅爾（Atmel）。

　?。?） USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ）∶英飛 科技股份公司（Infineon）。

　?。?） 串列外設介面（SPI）∶飛思卡爾半導體公司（Freescale Semiconductor）。

　?。?） SCI（Sertal Communications Interface）∶這是UART的加強版。

　?。?） I2C匯流排∶恩智浦半導體（NXP Semiconductor）。

　?。?） Microwire/Plus∶美國國家半導體公司（National Semiconductor）。

　　2、液晶驅動(dòng)裝置（LCD Driver）

　　在顯示介面上，LCD是常用的顯示裝置，例如在一些多功能電話(huà)、數位溫度計、掌上游戲機上皆可以發(fā)現它的蹤跡。因此內含LCD驅動(dòng)線(xiàn)路的MCU運用相當廣泛，有兩種驅動(dòng)方式可供選用∶Segment和Dot Matrix，例如之前流行的寵物蛋是使用Dot Matrix的LCD顯示器；日系MCU廠(chǎng)商提供多樣內含LCD驅動(dòng)裝置的MCU可供選用，另外HOLTEK HT49XX系列也提供LCD驅動(dòng)裝置的MCU。

　　3、螢光管驅動(dòng)裝置（VFT Driver）

　　LCD顯示器在無(wú)光源或無(wú)背光的環(huán)境下，我們即無(wú)法讀取顯示器之內容，而VFT顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺(jué)效果，常應用於高級的家電產(chǎn)品上，如碟影機、DSP量化器。要求炫麗輸出效果的產(chǎn)品，在MCU的選擇上VFT Driver是重要的資源之一。

　　OSD對於電視及監視器人性化介面是不可缺少的功能之一， OSD（On Screen Display）部分顯示回路為接收水平同步信號（H-Sync）及垂直同步信號 （V-Sync），再將信號透過(guò)RGB及Blanking將螢幕資訊送出，其顯示顏色至多可達8種。各MCU指令執行速率會(huì )造成OSD的顯示行數及欄位的不同，顯示行數由二行至數十行，欄位則由15~26個(gè)字元或更多，通常執行速率較快者可顯示較多的行數、欄位，速率較慢者在顯示上會(huì )有直接的受限。

　　4、模數介面（ADC）

　　由於MCU諸多應用上，需要偵測外部環(huán)境狀況，作為處理資料上的參考，如在TV應用方面其調諧器（Tuner）之自動(dòng)頻率控制（AFC）訊號，即為電壓訊號，其他如溫度之偵測也多是轉換為電壓訊號，所以ADC的應用在工業(yè)及消費電子上都很廣泛。

　　模擬之場(chǎng)合是如此頻繁，所以各廠(chǎng)家提供AD之轉換便成為一般之標準規格（如HOLTEK HT46XX系列），雖然如此，對於類(lèi)比/數位之解析度各家差異很大，由3~10位皆有，視各不同需求而異。雖然提供的轉換通道有很多，通常內部?jì)H有一個(gè)電路處理，靠選擇器切換，對於時(shí)間考慮不是特別強調之應用上，不致有太大之影響。

　　另外還有一種AD轉換方式，就是R-F（Resistance to Freguency），一般運用在溫度/濕度之偵測，利用電阻/電容式感測器的變化特性，轉換成頻率值，以此頻率值來(lái)計算溫度/濕度的相對性，此類(lèi)的IC如HOLTEK HT47XX系列。

　　5、數模轉換介面（DAC）

　　在控制類(lèi)比元件，必須內建DAC來(lái)應對。MCU內部由DA轉換暫存器及一階電阻構成，D/A的解析度各為8位元。在一個(gè)8位元/參考電壓為5V的MCU，假設一個(gè)數位值60轉換成類(lèi)比值的計算方式是（60/256x5V）=1.171875V，例如應用在鎖相回路上，VCO（電壓控制振蕩器）即可用DAC進(jìn)行控制。

　　另外，Voice IC也是利用原先將語(yǔ)音錄制成數位資料，然後用DAC方式將數位資料音頻轉換還原類(lèi)比語(yǔ)音訊號。脈寬調變（PWM）其目的也是以數位輸出搭配周邊回路，達到類(lèi)比的效果，其組成有前置配器（Pre-divider）、計數器（Counter）、資料閂鎖（Data Latches）、及比較電路（Compare Circuits）等。

　　6、DTMF產(chǎn)生器、接收器

　　電話(huà)由原來(lái)的Pulse演進(jìn)為現在的Tone解碼方式，不但提高了解碼的速度，也增加了可靠性與抗雜訊能力，DTMF（Dual Tone Multiple Frequency）顧名思義就是混合兩種頻率的音頻訊號，所以解碼不易出差錯。應用在電話(huà)產(chǎn)品的MCU時(shí)，DTMF這個(gè)資源常是選擇的重要規格。

　　7、看門(mén)狗（Watchdog Timer）

　　MCU在產(chǎn)品中是不允許停機的，但受到雜訊干擾或操作不當時(shí)，需有防范措施確保MCU在停機的情況下能夠自動(dòng)重置，讓 MCU能夠繼續運作?？梢哉f(shuō)看門(mén)狗是用來(lái)監看MCU是否為不正常停機，許多MCU都已把它列為標準配備。

　　看門(mén)狗計時(shí)器實(shí)際上就像一個(gè)自跑式的RC振蕩器，它完全不必外加零件，意即不管是晶片 的頻率振蕩接腳的頻率振蕩有沒(méi)有停止，它還是繼續計數而不隨之中斷而停止，即便是晶片 進(jìn)入省電的Halt狀態(tài)（在Halt狀態(tài)下，晶片之頻率停止振蕩也一定不曾停止Watchdog timer之計時(shí)，當計時(shí)逾時(shí)後將使本晶片自動(dòng)重置，I/O腳輸出保持不變，耗電相當的?。?，Watchdog timer要不要使能，在OTP版本必須在程式燒錄時(shí)決定，以便決定要不要燒斷其保險絲，在Mask版本由使用者選擇是否使用這個(gè)功能。

　　8、雙頻率（Dual Clock）

　　MCU的供應頻率愈高時(shí)，相對地耗電量也愈大。因此在一些使用電池供應的產(chǎn)品選用時(shí)，雙頻率常是必須考慮的功能，一般副頻率是以32.768kHz運作，主要作為計時(shí)（RealTime Clock）之用。