MCU的主要分類與應(yīng)用技巧

MCU（MicroControllerUnit）中文名稱為多點控制單元，又稱單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer），是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。

在現(xiàn)代嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，通過了解客戶需求和電子產(chǎn)品趨勢，搜集市面上大量的不同型號的MCU資料，結(jié)合市場上剛出現(xiàn)的低成本高性能MCU新產(chǎn)品，是成功進行MCU選型的基礎(chǔ)。一般來說，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在選擇MCU時，通常遵循四項主要標(biāo)準(zhǔn)∶功能、可用性、成本和熟悉程度。

微控制器（Microcontroller;MCU）是一種無所不在的嵌入式控制晶片，玩具、家電、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域都有其存在，負(fù)責(zé)各種感測、監(jiān)控工作，例如我們常見的電飯煲、電磁爐、咖啡壺等內(nèi)部均由MCU負(fù)責(zé)感測水溫，并接受使用者的指示是否該加溫、沸騰，同樣的冷氣機的溫控也是用MCU來實現(xiàn)。此外，如桌上電腦所用的鍵盤、滑鼠等也各有一顆MCU，負(fù)責(zé)將敲打的鍵碼、指標(biāo)的X/Y軸位移偏量等資訊回傳給電腦CPU。

對於選擇MCU進行設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計師來說，可獲得的大量的不同型號MCU會讓選型工作變得復(fù)雜，如SiliconLabs工作電壓低至0.9V的8位元MCU，德州儀器針對低功耗應(yīng)用的多款16位元 MSP430，飛思卡爾和英飛針對汽車應(yīng)用的MCU方案，Atmel 的AVR系列和Microchip的PIC系列一直在推陳出新……雖然新的 32位ARM核Cortex-m3處理器已經(jīng)發(fā)布許久，古老的8位8051核還是在不同MCU中占領(lǐng)主流地位……面對繽紛多彩的MCU世界，正確把握MCU發(fā)展趨勢，熟悉MCU架構(gòu)，甚至於借助選擇工具進行分析比較就顯得極其必要。

MCU的主要分類：

按用途分類：

通用型：將可開發(fā)的資源（ROM、RAM、I/O、 EPROM）等全部提供給用戶。

專用型：其硬件及指令是按照某種特定用途而設(shè)計，例如錄音機機芯控制器、打印機控制器、電機控制器等。

按其基本操作處理的數(shù)據(jù)位數(shù)分類：

根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，單片機又分為1位、4位、8位、16位、32位甚至64位單片機。

4位MCU大部份應(yīng)用在計算器、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅(qū)動控制器、LCD游戲機、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(yīng)用在電表、馬達(dá)控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器（CallerID）、電話錄音機、CRT顯示器、鍵盤及USB等；8位、16位單片機主要用于一般的控制領(lǐng)域，一般不使用操作系統(tǒng)， 16位MCU大部份應(yīng)用在行動電話、數(shù)字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應(yīng)用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機； 32位用于網(wǎng)絡(luò)操作、多媒體處理等復(fù)雜處理的場合，一般要使用嵌入式操作系統(tǒng)。64位MCU大部份應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。

8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，強調(diào)簡單效能、低成本應(yīng)用，在目前MCU市場總值仍有一定地位，而不少MCU業(yè)者也持續(xù)為8bit MCU開發(fā)頻率調(diào)節(jié)的節(jié)能設(shè)計，以因應(yīng)綠色時代的產(chǎn)品開發(fā)需求。

16位MCU，則以16位運算、16/24位尋址能力及頻率在24~100MHz為主流規(guī)格，部分16bit MCU額外提供32位加/減/乘/除的特殊指令。由于32bit MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價及8bit MCU簡單耐用又便宜的低價優(yōu)勢下，夾在中間的16bit MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

32位MCU可說是MCU市場主流，單顆報價在1.5~4美元之間，工作頻率大多在100~350MHz之間，執(zhí)行效能更佳，應(yīng)用類型也相當(dāng)多元。但32位MCU會因為操作數(shù)與內(nèi)存長度的增加，相同功能的程序代碼長度較8/16bit MCU增加30~40%，這導(dǎo)致內(nèi)嵌OTP/FlashROM內(nèi)存容量不能太小，而芯片對外腳位數(shù)量暴增，進一步局限32bit MCU的成本縮減能力。

內(nèi)嵌程序存儲器類型

下面以51單片機為例（MCS-51系列MCU是我國使用最多的單片機），根據(jù)其內(nèi)部存儲器的類型不同可以分為以下幾個基本型：

1. 無ROM型：8031
2. ROM型：8051
3. EPROM型：8751
4. EEPROM 型：8951
5. 增強型：8032/8052/8752/8952/C8051F

MCU按其存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。

對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型、MASK片內(nèi)掩模ROM型、片內(nèi)FLASH型等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM的芯片。MASKROM的MCU價格便宜，但程序在出廠時已經(jīng)固化，適合程序固定不變的應(yīng)用場合；FLASH ROM的MCU程序可以反復(fù)擦寫，靈活性很強，但價格較高，適合對價格不敏感的應(yīng)用場合或做開發(fā)用途；OTPROM的MCU價格介于前兩者之間，同時又擁有一次性可編程能力，適合既要求一定靈活性，又要求低成本的應(yīng)用場合，尤其是功能不斷翻新、需要迅速量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。

由于MCU強調(diào)是最大密集度與最小芯片面積，以有限的程序代碼達(dá)成控制功能，因此當(dāng)今MCU多半使用內(nèi)建的MaskROM、OTP ROM、EEPROM或Flash內(nèi)存來儲存韌體碼，MCU內(nèi)建Flash內(nèi)存容量從低階4~64KB到最高階512KB~2MB不等。

存儲器結(jié)構(gòu)

MCU根據(jù)其存儲器結(jié)構(gòu)可分為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)和馮?諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的單片機絕大多數(shù)都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器）、一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口，所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

指令結(jié)構(gòu)

MCU根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（ComplexInstrucTIon SetComputer，復(fù)雜指令集計算機）和RISC（Reduced InstrucTIon Set Comuter，精簡指令集計算機微控制器）

MCU的應(yīng)用技巧：

在MCU應(yīng)用開發(fā)中，代碼的使用效率、抗干擾性和可靠性等問題仍困擾著大部份應(yīng)用工程師。

以下是MCU開發(fā)應(yīng)用中應(yīng)掌握的基本技巧。

1、MCU的通用測試方法 MCU從生產(chǎn)出來到封裝出貨的每個不同的階段會有不同的測試方法，其中主要會有兩種∶中測和成測。所謂中測即是WAFER的測試，它會包含產(chǎn)品的功能驗證及AC、DC的測試。

專案相當(dāng)繁多，以HOLTEK產(chǎn)品為例最主要的幾項如下∶

（1）接續(xù)性測試∶檢測每一根I/O PIN內(nèi)接的保護用二極體是否功能無誤。

（2）功能測試∶以產(chǎn)品設(shè)計者所提供測試資料（TEST PATTERN）灌入IC，檢查其結(jié)果是否與當(dāng)時SIMULATION時狀態(tài)一樣。

（3）STANDBY電流測試∶測量IC處於HALT模式時即每一個接點（PAD）在1態(tài)0態(tài)或Z態(tài)保持不變時的漏電流是否符合最低之規(guī)格。

（4）耗電測試∶整顆IC的靜態(tài)耗電與動態(tài)耗電。

（5）輸入電壓測試∶測量每個輸入接腳的輸入電壓反應(yīng)特性。

（6）輸出電壓測試∶測量每個輸出接腳的輸出電壓位元。

（7）相關(guān)頻率特性（AC）測試，也是通過外灌一定頻率，從I/O 口來看輸出是否與之匹配。

（8）為了保證IC生產(chǎn)的長期且穩(wěn)定質(zhì)量，還會做產(chǎn)品的可靠性測試，這些測試包括ESD測試，LATCH UP測試，溫度回圈測試，高溫貯存測試，濕度貯存測試等。

成測是產(chǎn)品封裝好後的測試，即PACKAGE測試，其目的是確定通過中測的IC產(chǎn)品在封裝過程中是否有損壞。測試方法主要是儀器自動測試，但測試項目仍與WAFER TEST相同。

2、在demo板上采樣時，電壓不穩(wěn)定結(jié)果有波動，如何消除？

一般來說，模擬器都是工作在一個穩(wěn)壓的環(huán)境（通常為5V）。如果用模擬器的A/D時，要注意其A/D參考電壓是由模擬器內(nèi)部給出，還是需要外部提供。A/D 轉(zhuǎn)換需要一個連續(xù)的時鐘周期，所以在仿真時不能用單步調(diào)試的方法，否則會造成A/D采樣值不準(zhǔn)。至於A/D采樣不穩(wěn)定，可以在A/D輸入口加一電容，起到濾波作用，再在軟體處理時采用中值濾波的方法。

3、MCU系統(tǒng)為了省電，經(jīng)常要進入掉電（POWER DOWN）狀態(tài)，此時如何才能獲得最低功耗？

MCU的I/O口可用作輸入和輸出狀態(tài)。以HOLTEK最簡單的 I/OMCUHT48R05A-1為例，當(dāng)作為輸入時可設(shè)置成帶上拉電阻的斯密特輸入；作為輸出時是 CMOS輸出。如果程式進入省電狀態(tài)（HALT）時，首先，各個有用的I/O仍需輸出一定值，以保證外部電路工作正常，同時請小心不要讓外部電路保持長耗電狀態(tài)（如長時間導(dǎo)通繼電器）；對於暫時不用的I/O口，為了節(jié)約功耗建議將I/O置為輸出狀態(tài)，并且輸出為低。

4、如何減少程式中的bug？

因系統(tǒng)中實際運行的參數(shù)都是有范圍的，系統(tǒng)運行中要考慮的超范圍管理參數(shù)有∶

（1）物理參數(shù)∶這些參數(shù)主要是系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，它包括激勵參數(shù)、采集處理中的運行參數(shù)和處理結(jié)束的結(jié)果參數(shù)。合理設(shè)定這些邊界，將超出邊界的參數(shù)都視為非正常激勵或非正?；貞?yīng)進行出錯處理。

（2）資源參數(shù)∶這些參數(shù)主要是系統(tǒng)中的電路、器件、功能單元的資源，如記憶體容量、存儲單元長度、堆疊深度。在程式設(shè)計中，對資源參數(shù)不允許超范圍使用。

（3）應(yīng)用參數(shù)∶這些應(yīng)用參數(shù)常表現(xiàn)為一些MCU、功能單元的應(yīng)用條件。如EEPROM的擦寫次數(shù)與資料存儲時間等應(yīng)用參數(shù)界限。

（4）過程參數(shù)∶指系統(tǒng)運行中的有序變化的參數(shù)。對程式師而言，須養(yǎng)成良好習(xí)慣，在程式的開頭，有順序的用自己喜歡文字參數(shù)對應(yīng)列表來替代，然後用自己定義的文字參數(shù)來編寫程式，這樣在做程式的修改及維護時只在程式的開頭做變動即可，不用修改到程式段，才比較容易且不會出錯。

5、如何提高C語言編程代碼的效率？

用C語言進行MCU程式設(shè)計是MCU開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。如果使用C編程時，要達(dá)到最高的效率，最好熟悉所使用的C編譯器。先試驗一下每條C語言編譯以後對應(yīng)的組合語言的語句行數(shù)，這樣就可以很明確的知道效率。在今後編程時，使用編譯效率最高的語句。各家的C編譯器都會有一定的差異，故編譯效率也會有所不同，優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時間僅比以組合語言編寫的同樣功能程度長5-20%。對於復(fù)雜而開發(fā)時間緊的專案時，可以采用C語言，但前提是要求你對該MCU系統(tǒng)的C語言和C編譯器非常熟悉，特別要注意該C編譯系統(tǒng)所能支援的資料類型和演算法。雖然C 語言是最普遍的一種高階語言，但由於不同的MCU廠家其C語言編譯系統(tǒng)是有所差別的，特別是在一些特殊功能模組的操作上。所以如果對這些特性不了解，那麼調(diào)試起來問題就會很多，反而導(dǎo)致執(zhí)行效率低於組合語言。

6、用作RF控制時，MCU的時鐘（晶振）、資料線會輻射基頻或倍頻，被LNA放大後進入混頻，出現(xiàn)帶內(nèi)Spur而無法濾除，如何解決？

在設(shè)計高頻電路用PCB有許多注意事項，尤其是GHz等級的高頻電路，更需要注意各電子元件pad與印刷版圖的長度對電路特性所造成的影響。

最近幾年高頻電路與數(shù)位電路共用相同電路板，構(gòu)成所謂的混載電路系統(tǒng)似乎有增加的趨勢，類似如此的設(shè)計經(jīng)常會造成數(shù)位電路動作時，高頻電路卻發(fā)生動作不穩(wěn)定等現(xiàn)象，其中原因之一是數(shù)位電路產(chǎn)生的雜訊，影響高頻電路正常動作所致。為了避免上述問題除了設(shè)法分割兩電路block之外，設(shè)計電路板之前充分檢討設(shè)計構(gòu)想，才是根本應(yīng)有的手法?；旧?，設(shè)計高頻電路用電路板必需掌握下列三大原則∶高質(zhì)感、不可取巧、不可倉促搶時間。

以下是設(shè)計高頻電路板的一些建議∶

（a）印刷版圖的長度會影響電路特性。尤其是傳輸速度為 GHz高速數(shù)位電路的傳輸線路，通常會使用strip line，同時藉由調(diào)整配線長度補正傳輸延遲時間，其實這也意味著電子元件的設(shè)置位置對電路特性具有絕對性的影響。

（b）接地越大越好。銅箔面整體設(shè)置接地層，而連接via的較大接地面則是高頻電路板與高速數(shù)位電路板共同的特徵，此外高頻電路板最忌諱使用幅寬細(xì)窄的印刷版圖描繪地面。

（c）電子元件的接地端子，以最短的長度與電路板接地。具體方法是在電子元件的接地端子pad附近設(shè)置via，使電子元件能以最短的長度與電路板接地。

（d）信號線作短配線設(shè)計。不可任意加大配線長度，盡量縮短配線長度。

（e）減少電路之間的結(jié)合。尤其是濾波器與放大器I/O之間作電路分割非常重要，它相當(dāng)於音頻電路的串?dāng)_對策。

（f） MCU回路布線考慮∶震蕩電路盡可能接近IC震蕩腳位；震蕩電路與VDD&VSS保持足夠的距離；震蕩頻率大於1MHz時不需加osc1&osc2電容；電源與地間要最短位置并盡量布設(shè)等寬與等距的線，於節(jié)點位置加上104/ 103/102等陶瓷電容。

7、遙控是MCU的基本應(yīng)用，在設(shè)計編解碼時要注意什麼？

一般來說，完整的遙控碼分為頭碼、位址碼、資料碼和校驗碼四個組成部分。頭碼根據(jù)不同的廠家各不相同，位址碼和資料碼都由邏輯“1”和邏輯“0”組成。編碼的設(shè)計目的，就是按照編碼規(guī)則發(fā)送不同的碼值。遙控編碼晶片最常用的是在空調(diào)、DVD、車庫門等遙控器上。

設(shè)計編碼程式可以分為三個部分∶

（1）了解碼型的特性。遙控碼的頭碼和位址碼（也稱為客戶碼）是固定不變的，資料碼和校驗碼根據(jù)不同的鍵值而改變。

（2）計算發(fā)碼時間。遙控碼大部分都是由邏輯“1”和邏輯“0” 組成，也就是由一串固定占空比、固定周期的方波所組成。通常這些方波的周期是毫秒甚至微秒等級，需要在時間上計算的比較精確。所以你選擇發(fā)碼MCU型號的時候，就要考慮到MCU的運行速度是不是夠快，以及程式運行時間夠不夠。

（3）程式的編寫。選定MCU型號之後，開始設(shè)計程式流程。一般來說我們使用I/O口就可以做發(fā)碼的輸出埠。發(fā)碼程式一般由幾個子程式組成，頭碼副程式、邏輯1副程式，邏輯0副程式以及校驗碼的演算法副程式。一旦我們得到要發(fā)送碼的命令後，首先調(diào)用頭碼副程式，然後根據(jù)客戶碼和鍵值調(diào)用邏輯1副程式或者邏輯0副程式，最後調(diào)用校驗碼演算法副程式輸出校驗碼。

設(shè)計解碼程式也可以分為三部分∶

（1）了解編碼波形特性。從分析編碼的高、低脈沖寬度入手，了解邏輯“1”和邏輯“0”的波形占空比、周期，了解頭碼的特性。

（2）確定接收方式。一般我們可以用I/O口查詢方法或者INT 口中斷回應(yīng)方法來接收編碼。這兩者的區(qū)別是I/O口查詢方式比較耗費MCU的運行時間資源，需要不斷的去偵測I/O的電平變化，以免漏掉有效的碼值；而INT口中斷接收方式則比較節(jié)省資源，當(dāng)外部有電平變化時，MCU才需要去處理，不需要時刻進行偵測。但是INT口中斷接收方式不能辨別相同周期不同占空比的波形特性，當(dāng)編碼所攜帶的邏輯“1”和邏輯“0”具有這種特性時，就無法通過INT口中斷接收方式來辨別了，因為INT中斷只是在上升沿或者下降沿的時候才觸發(fā)。

（3）將接收的碼值存儲并分析執(zhí)行。根據(jù)判斷高低電平的寬度（計時器或者延時），可以得到碼值，也就是所說的解碼。一般我們連續(xù)收到3個相同的完整碼值，就確認(rèn)此碼的確被發(fā)出，并接收成功。當(dāng)解碼結(jié)束，根據(jù)碼值我們可以判斷出是哪個按鍵被按下，由此去執(zhí)行相對的按鍵功能。

8、如何設(shè)計控制系統(tǒng)（發(fā)電機系統(tǒng)）的重定電路？

MCU復(fù)位可分為內(nèi)部與外部事件復(fù)位。外部事件復(fù)位包括上電復(fù)位、RES重定和低電壓重定。上電復(fù)位和RES復(fù)位是人為的正常重定，以保證程式計數(shù)器被清零且程式從頭開始執(zhí)行。要正常進行這兩種重定動作，需要外接正確的RES重定電路，一般來說不同的MCU的重定電路稍有不同，MCU廠商都會提供標(biāo)準(zhǔn)的重定電路資料。以HOLTEK IC為例，我們提供的重定電路是RES腳接100KΩ電阻至VDD； RES腳再接10KΩ電阻和0.1μF的電容至VSS。

當(dāng)電源電壓受外部干擾，低於正常工作電壓時，會造成程式功能運行不正常，嚴(yán)重的還可能造成MCU死機。此時會對發(fā)電機系統(tǒng)造成嚴(yán)重後果，因此需要用低電壓重定來解決這個問題。通?？梢杂脙蓚€方法實現(xiàn)低電壓重定∶

（1）外加一個電壓檢測晶片加到RES腳上，當(dāng)電源電壓低於某個臨界值時，電壓檢測晶片會給出一個低電平到RES腳使MCU復(fù)位，防止MCU死機。

（2）有些廠家的MCU內(nèi)部會有一個低電壓檢測LVR功。當(dāng)電源電壓低於某一個臨界值時，MCU會自動復(fù)位避免死機，外部不需要再連接任何檢測電壓的電路。

除了外部電源不穩(wěn)定會造成MCU復(fù)位，內(nèi)部WDT溢出也會造成復(fù)位，即內(nèi)部事件復(fù)位。對於需要長時間穩(wěn)定工作的系統(tǒng)來說，看門狗是十分必要的，它可以避免程式跑飛造成的錯誤。當(dāng)重定發(fā)生時，要保證重定後能與重定前的各個狀態(tài)無縫的連接起來，就需要用軟體來判定重定前程式執(zhí)行到哪個程式段。

審核編輯：何安