淺析嵌入式MCU硬件設計相關要素

一、 引言

目前，集成電路的嵌入式技術發展愈來愈快，各色嵌入式產品也愈來愈受歡迎，尤爲是以大屏幕多功能的手機、平板電腦等爲典型表明，作爲其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了決定性做用。所以以CPU爲核心MCU的設計也成爲了諸多高等院校、各大公司進行市場競爭的一個主流發展方向。

二、 MCU選型技術

微控制器（MCU）的應用領域很是普遍，如消費類電子市場中的手機、照相機、攝像機、MP三、MP四、平板電腦、筆記本電腦、PC機、各類遙控電動玩具等，還有汽車電子的電子鑰匙、控制系統、導航、倒車影像、倒車雷達等，還有各類安全防衛系統、醫療器械、工業控制、武器裝備、航空航天等各個領域。所以在設計MCU以前須要進行明確的市場定位，從而使目標產品有的放矢，並在高性能、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備很強的競爭力。MCU硬件設計主要包括兩大部分：CPU選型和外圍IP核的選取。

三、 CPU選型

CPU做爲MCU的大腦，起到控制核心的做用，基本上決定了MCU的目標應用領域，所以CPU的選型是設計MCU的關鍵。目前，能夠用於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、ARM1136/56/7六、ARMCortex－A5/7/8/9/1五、ARMCortex－R4/5/七、ARMCortex－M0/0+/1/3/四、SecurCore000/100/300、MIPS32M4K/4K/14K/24K/34K/74K/1004K/1074K、microMIPS3二、SmartMIPS、Nios/NiosII、PowerPC40x/60x/70x/90x、SPARCv7/8/九、LEON2/3/四、OR1000/1200等，其中以ARM系列嵌入式CPU發展的勢頭最爲迅猛，佔據了嵌入式處理器絕大部分的市場份額，並且還在繼續增加。各家公司的每種處理器都有本身的特色，能夠知足不一樣的應用需求。此外，開發環境的完備性、總線接口協議的高效性、技術支持的專業性、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。

四、 外圍IP選取

對於應用領域而言，外圍IP核起到了很好的支撐做用，由於若是把MCU比做「人」，則外圍IP核至關於MCU的「眼」「耳」「口」「鼻」等重要器官，因此外圍IP核的選取也一樣相當重要。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，按照總線接口協議能夠分爲IBM公司的Core Connect、ARM公司的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）和Silicore Corp公司的Wishbone等；按功能分爲接口類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。根據功能不一樣能夠進行不一樣的選擇，還能夠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接口等信盈達嵌入式企鵝要妖氣嗚嗚吧久零就要。

4.2特定用途IP選取

特定功能的IP核種類也不少，如時鐘類的PLL、片上高精度振盪器，模數轉換類的AD、DA，網絡類的ETHERNETMAC/PHY、Modem，圖像處理類的H.26四、JPEG，接口類的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口類的LVDS、RapidIO、SerDes等，還有各類傳感器等，須要根據市場定位來肯定。

五、MCU設計

5.1硬件設計

目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經大規模推出各種MCU，並且各具特點，所以設計具備自主知識產權的MCU應在系統架構等方面有別於這些大公司，一是避免侵權，二是更有利於市場競爭。同時應作好產品的規劃：從簡單到複雜，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升。主要包括如下幾個方面：

（1） 體系架構分析、設計和驗證

依據設計規格書中的性能指標和功能指標，首先須要制定設計方案：選取幾款CPU以及全部用到的IP核進行系統級設計，從總體上評估MCU的系統架構、CPU的性能指標、IP核的功能特性等方面。基於幾種選定的目標工藝給出相應的數據分析，確認是否可以知足設計目標的要求，從而肯定基本的設計方案，而後再根據具體的設計結果進行相應的優化。

（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相當重要的做用。若是這兩路信號有問題，則電路不能正常工做。所以，須要做出詳盡的時鐘方案和復位方案，須要給不一樣的外設提供不一樣的時鐘：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

採用何種總線、何種組合方式、總線的數量等關係到MCU性能的發揮。以AMBA總線爲例，一般的用法是AHB接高速外設，再經過AHB到APB總線橋來訪問低速外設。有時爲了提升外設的訪問速度，一個MCU內部可能有兩條APB總線；也可能有兩條AHB總線。指令和數據分離，一條用來數據傳輸或圖像處理，另外一條用來通用控制。還可能有多層AHB的互連矩陣，便於多個Master能夠同時訪問多個不一樣的高速外設，從而大幅度提升MCU系統性能。所以，總線方案的制定須依據產品的具體應用來肯定。