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發(fā)展越來越快，各色嵌入式產品也越來越受歡迎，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、各大公司進行市場競爭的一個主流發(fā)展方向。

2 MCU選型技術

微控制器（MCU）的應用領域非常廣泛，如消費類電子市場中的手機、照相機、攝像機、MP3、MP4、平板電腦、筆記本電腦、PC機、各種遙控電動玩具等，還有汽車電子的電子鑰匙、控制系統(tǒng)、導航、倒車影像、倒車雷達等，還有各種安全防衛(wèi)系統(tǒng)、醫(yī)療器械、工業(yè)控制、武器裝備、航空航天等各個領域。因此在設計MCU之前需要進行明確的市場定位，從而使目標產品有的放矢，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的目標應用領域，因此CPU的選型是設計MCU的關鍵。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(jù)了嵌入式處理器絕大部分的市場份額，而且還在繼續(xù)增長。各家公司的每種處理器都有自己的特點，可以滿足不同的應用需求。此外，開發(fā)環(huán)境的完備性、總線接口協(xié)議的高效性、技術支持的專業(yè)性、IP核種類的豐富性、設計資源的開放性以及設計者的使用習慣等，都會對CPU的選型產生決定性的影響。

4外圍IP選取

對于應用領域而言，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核的種類比較繁多，按照總線接口協(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IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存儲器控制器，圖像處理類IP核等；存儲器類IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根據(jù)功能不同可以進行不同的選擇，還可以集成幾個相同功能的IP核，如UARTx4有4個UART接口，I2Cx2則是有2個I2C接口等。

4.2特定用途IP選取

特定功能的IP核種類也很多，如時鐘類的PLL、片上高精度振蕩器，模數(shù)轉換類的AD、DA，網絡類的ETHERNETMAC/PHY、Modem，圖像處理類的H.264、JPEG，接口類的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口類的LVDS、RapidIO、SerDes等，還有各種傳感器等，需要根據(jù)市場定位來確定。

5 MCU設計

5.1硬件設計

目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經大規(guī)模推出各類MCU，而且各具特色，因此設計具有自主知識產權的MCU應在系統(tǒng)架構等方面有別于這些大公司，一是避免侵權，二是更有利于市場競爭。同時應做好產品的規(guī)劃：從簡單到復雜，從單一產品到系列產品，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。主要包括以下幾個方面：

（1）體系架構分析、設計和驗證

依據(jù)設計規(guī)格書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核進行系統(tǒng)級設計，從整體上評估MCU的系統(tǒng)架構、CPU的性能指標、IP核的功能特性等方面。基于幾種選定的目標工藝給出相應的數(shù)據(jù)分析，確認是否能夠滿足設計目標的要求，從而確定基本的設計方案，然后再根據(jù)具體的設計結果進行相應的優(yōu)化。

（2）時鐘和復位方案設計

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


圖1時鐘方案示意圖

（3）總線方案設計

采用何種總線、何種組合方式、總線的數(shù)量等關系到MCU性能的發(fā)揮。以AMBA總線為例，通常的用法是AHB接高速外設，再通過AHB到APB總線橋來訪問低速外設。有時為了提高外設的訪問速度，一個MCU內部可能有兩條APB總線；也可能有兩條AHB總線。指令和數(shù)據(jù)分離，一條用來數(shù)據(jù)傳輸或圖像處理，另一條用來通用控制。還可能有多層AHB的互連矩陣，便于多個Master可以同時訪問多個不同的高速外設，從而大幅度提高MCU系統(tǒng)性能。因此，總線方案的制定須依據(jù)產品的具體應用來確定。

（4）功耗管理方案設計

低功耗是MCU的突出特點之一，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控時鐘、門級優(yōu)化的方式，而且還在物理上采用多閾值電壓、多電源域、門控電源等方式；同時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(guī)定各種模式下運行和關閉IP核的種類以及各種模式之間的進入和退出流程。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(shù)量、優(yōu)先級、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設計一個專用模塊來進行中斷處理。有時為了提高設計效率，IP銷售商也提供標準的基于AHB或APB等總線接口協(xié)議的IP核。如果此類IP核能夠滿足系統(tǒng)對于中斷處理情況的要求，也可以選用。