嵌入式MCU硬件設計概述

1引言

目前，集成電路的嵌入式技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，各色嵌入式產(chǎn)品也越來(lái)越受歡迎，尤其是以大屏幕多功能的手機、平板電腦等為典型代表，做為其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了決定性作用。因此以CPU為核心MCU的設計也成為了諸多高等院校、各大公司進(jìn)行市場(chǎng)競爭的一個(gè)主流發(fā)展方向。

2 MCU選型技術(shù)

微控制器（MCU）的應用領(lǐng)域非常廣泛，如消費類(lèi)電子市場(chǎng)中的手機、照相機、攝像機、MP3、MP4、平板電腦、筆記本電腦、PC機、各種遙控電動(dòng)玩具等，還有汽車(chē)電子的電子鑰匙、控制系統、導航、倒車(chē)影像、倒車(chē)雷達等，還有各種安全防衛系統、醫療器械、工業(yè)控制、武器裝備、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。因此在設計MCU之前需要進(jìn)行明確的市場(chǎng)定位，從而使目標產(chǎn)品有的放矢，并在高性能、低成本、多功能、輕體積、低功耗、高可靠、散熱好、抗輻照、抗單粒子、適應超高溫和超低溫等方面具有很強的競爭力。MCU硬件設計主要包括兩大部分：CPU選型和外圍IP核的選取。

3 CPU選型

CPU作為MCU的大腦，起到控制核心的作用，基本上決定了MCU的目標應用領(lǐng)域，因此CPU的選型是設計MCU的關(guān)鍵。目前，可以用于集成電路嵌入式設計的CPU主要有CISC架構的80386EX，RISC架構的ARM7TDMI/EJ、ARM926EJS/946ES/968ES、ARM1136/56/76、ARMCortex－A5/7/8/9/15、ARMCortex－R4/5/7、ARMCortex－M0/0+/1/3/4、SecurCore000/100/300、MIPS32M4K/4K/14K/24K/34K/74K/1004K/1074K、microMIPS32、SmartMIPS、Nios/NiosII、PowerPC40x/60x/70x/90x、SPARCv7/8/9、LEON2/3/4、OR1000/1200等，其中以ARM系列嵌入式CPU發(fā)展的勢頭最為迅猛，占據了嵌入式處理器絕大部分的市場(chǎng)份額，而且還在繼續增長(cháng)。各家公司的每種處理器都有自己的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足不同的應用需求。此外，開(kāi)發(fā)環(huán)境的完備性、總線(xiàn)接口協(xié)議的高效性、技術(shù)支持的專(zhuān)業(yè)性、IP核種類(lèi)的豐富性、設計資源的開(kāi)放性以及設計者的使用習慣等，都會(huì )對CPU的選型產(chǎn)生決定性的影響。

4外圍IP選取

對于應用領(lǐng)域而言，外圍IP核起到了很好的支撐作用，因為如果把MCU比作“人”，則外圍IP核相當于MCU的“眼”“耳”“口”“鼻”等重要器官，所以外圍IP核的選取也同樣至關(guān)重要。IP核的選取包括通用IP核和特定用途IP核兩種。

4.1通用IP選取

目前，通用IP核的種類(lèi)比較繁多，按照總線(xiàn)接口協(xié)議可以分為IBM公司的Core Connect、ARM公司的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）和Silicore Corp公司的Wishbone等；按功能分為接口類(lèi)IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存儲器控制器，圖像處理類(lèi)IP核等；存儲器類(lèi)IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根據功能不同可以進(jìn)行不同的選擇，還可以集成幾個(gè)相同功能的IP核，如UARTx4有4個(gè)UART接口，I2Cx2則是有2個(gè)I2C接口等。

4.2特定用途IP選取

特定功能的IP核種類(lèi)也很多，如時(shí)鐘類(lèi)的PLL、片上高精度振蕩器，模數轉換類(lèi)的AD、DA，網(wǎng)絡(luò )類(lèi)的ETHERNETMAC/PHY、Modem，圖像處理類(lèi)的H.264、JPEG，接口類(lèi)的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口類(lèi)的LVDS、RapidIO、SerDes等，還有各種傳感器等，需要根據市場(chǎng)定位來(lái)確定。

5 MCU設計

5.1硬件設計

目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經(jīng)大規模推出各類(lèi)MCU，而且各具特色，因此設計具有自主知識產(chǎn)權的MCU應在系統架構等方面有別于這些大公司，一是避免侵權，二是更有利于市場(chǎng)競爭。同時(shí)應做好產(chǎn)品的規劃：從簡(jiǎn)單到復雜，從單一產(chǎn)品到系列產(chǎn)品，設計平臺不斷維護與更新，設計軟件不斷維護與升級，設計人員的水平不斷提高。主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）體系架構分析、設計和驗證

依據設計規格書(shū)中的性能指標和功能指標，首先需要制定設計方案：選取幾款CPU以及所有用到的IP核進(jìn)行系統級設計，從整體上評估MCU的系統架構、CPU的性能指標、IP核的功能特性等方面?；趲追N選定的目標工藝給出相應的數據分析，確認是否能夠滿(mǎn)足設計目標的要求，從而確定基本的設計方案，然后再根據具體的設計結果進(jìn)行相應的優(yōu)化。

（2）時(shí)鐘和復位方案設計

時(shí)鐘和復位對整個(gè)電路而言起到了至關(guān)重要的作用。如果這兩路信號有問(wèn)題，則電路不能正常工作。因此，需要作出詳盡的時(shí)鐘方案和復位方案，需要給不同的外設提供不同的時(shí)鐘：USB單獨時(shí)鐘、CPU等高速外設一個(gè)時(shí)鐘、UART等低速外設一個(gè)時(shí)鐘，如圖1示。


圖1時(shí)鐘方案示意圖

（3）總線(xiàn)方案設計

采用何種總線(xiàn)、何種組合方式、總線(xiàn)的數量等關(guān)系到MCU性能的發(fā)揮。以AMBA總線(xiàn)為例，通常的用法是AHB接高速外設，再通過(guò)AHB到APB總線(xiàn)橋來(lái)訪(fǎng)問(wèn)低速外設。有時(shí)為了提高外設的訪(fǎng)問(wèn)速度，一個(gè)MCU內部可能有兩條APB總線(xiàn)；也可能有兩條AHB總線(xiàn)。指令和數據分離，一條用來(lái)數據傳輸或圖像處理，另一條用來(lái)通用控制。還可能有多層AHB的互連矩陣，便于多個(gè)Master可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)不同的高速外設，從而大幅度提高M(jìn)CU系統性能。因此，總線(xiàn)方案的制定須依據產(chǎn)品的具體應用來(lái)確定。

（4）功耗管理方案設計

低功耗是MCU的突出特點(diǎn)之一，因為MCU中集成了多種低功耗管理策略：不僅在邏輯上采用門(mén)控時(shí)鐘、門(mén)級優(yōu)化的方式，而且還在物理上采用多閾值電壓、多電源域、門(mén)控電源等方式；同時(shí)更在功能模式上采用了多種模式：正常運行模式、睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式等，并嚴格規定各種模式下運行和關(guān)閉IP核的種類(lèi)以及各種模式之間的進(jìn)入和退出流程。這既保證了電路的功能，又保證了電路的性能。

（5）中斷處理方案設計

中斷是MCU一項很重要的功能。通過(guò)中斷控制，CPU可以快速響應外設的請求。中斷處理一般包括中斷源的數量、優(yōu)先級、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設計一個(gè)專(zhuān)用模塊來(lái)進(jìn)行中斷處理。有時(shí)為了提高設計效率，IP銷(xiāo)售商也提供標準的基于A(yíng)HB或APB等總線(xiàn)接口協(xié)議的IP核。如果此類(lèi)IP核能夠滿(mǎn)足系統對于中斷處理情況的要求，也可以選用。