MCU的架構(gòu)詳解

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

　　開發(fā)較早，產(chǎn)品線廣，所以技術(shù)領(lǐng)先，而本土廠商則以多功能為產(chǎn)品導(dǎo)向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價(jià)格戰(zhàn)是對(duì)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)差相去無幾，8位已漸成為市場(chǎng)主流；針對(duì)4位MCU，大部份供貨商采接單生產(chǎn)，目前4位MCU大部份應(yīng)用在計(jì)算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅(qū)動(dòng)控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計(jì)、溫濕度計(jì)、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部份應(yīng)用在電表、馬達(dá)控制器、電動(dòng)玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、傳真機(jī)、來電辨識(shí)器（Caller ID）、電話錄音機(jī)、CRT Display、鍵盤及USB等；16位MCU大部份應(yīng)用在行動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)及攝錄放影機(jī)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(jī)與彩色傳真機(jī)；64位MCU大部份應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、高級(jí)電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級(jí)終端機(jī)等。

　　而在MCU開發(fā)方面，以架構(gòu)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 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對(duì)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(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。不管是 RISC 或是 CISC（Complex Instruction Set Computer），設(shè)計(jì)MCU的目的便是為人類服務(wù)的，對(duì)于 RISC 來說，因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)較復(fù)雜組合的工作便需要由『編譯程序』（compiler） 來執(zhí)行，而 CISC MCU因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">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(shù)個(gè)指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

　　以一個(gè)數(shù)值運(yùn)算程序來說，使用 CISC 指令集的MCU運(yùn)算對(duì)于一個(gè)積分表達(dá)式可能只需要十個(gè)機(jī)器指令，而 RISC MCU在執(zhí)行相同的程序時(shí)，卻因?yàn)镃PU 本身不提供浮點(diǎn)數(shù)乘法的指令，所以可能需要執(zhí)行上百個(gè)機(jī)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），而由程序語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令的動(dòng)作是由程序語言的 Compiler 來執(zhí)行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會(huì)較復(fù)雜 。因?yàn)橥瑯右粋€(gè)高級(jí)語言 A=B*C 的運(yùn)算，在 RISC MCU轉(zhuǎn)換為機(jī)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(gòu)與軟件（Compiler） 的平衡之爭(zhēng)，應(yīng)該沒有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的一方，只能說因應(yīng)不同的需求而有不同的產(chǎn)品，例如工作單純的打印機(jī)核心 MCU，便適合使用效能穩(wěn)定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU。

　　MCU的基本構(gòu)架：

　　以架構(gòu)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的線路可以盡量做到最佳化，提高執(zhí)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(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。

　　不管是RISC或是CISC（Complex Instruction Set Computer），設(shè)計(jì)MCU的目的都是為人類服務(wù)的，對(duì)於RISC來說，因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)較復(fù)雜組合的工作便需要由“編譯程序 （compiler）”來執(zhí)行，而CISC MCU因?yàn)橛搀w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(shù)個(gè)指令來代替，編譯程序的工作因而減少許多。

　　一般來說，MCU基本架構(gòu)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(biāo)（Stack Pointer）、I/O口、定時(shí)/定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷（Interrupt）。MCU還可以加掛一些周邊資源，以擴(kuò)充和延伸MCU的功能，這也正是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)“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(nèi)含Serial I/O是為了提供對(duì)外部周邊設(shè)備的通訊管道，各家種類不同，常見的有以下幾種∶

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

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

　　（3） 串列外設(shè)介面（SPI）∶飛思卡爾半導(dǎo)體公司（Freescale Semiconductor）。

　　（4） SCI（Sertal Communications Interface）∶這是UART的加強(qiáng)版。

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

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

　　2、液晶驅(qū)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、數(shù)位溫度計(jì)、掌上游戲機(jī)上皆可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。因此內(nèi)含LCD驅(qū)動(dòng)線路的MCU運(yùn)用相當(dāng)廣泛，有兩種驅(qū)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廠商提供多樣內(nèi)含LCD驅(qū)動(dòng)裝置的MCU可供選用，另外HOLTEK HT49XX系列也提供LCD驅(qū)動(dòng)裝置的MCU。

　　3、螢光管驅(qū)動(dòng)裝置（VFT Driver）

　　LCD顯示器在無光源或無背光的環(huán)境下，我們即無法讀取顯示器之內(nèi)容，而VFT顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺效果，常應(yīng)用於高級(jí)的家電產(chǎn)品上，如碟影機(jī)、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(duì)於電視及監(jiān)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(hào)（H-Sync）及垂直同步信號(hào) （V-Sync），再將信號(hào)透過RGB及Blanking將螢?zāi)毁Y訊送出，其顯示顏色至多可達(dá)8種。各MCU指令執(zhí)行速率會(huì)造成OSD的顯示行數(shù)及欄位的不同，顯示行數(shù)由二行至數(shù)十行，欄位則由15~26個(gè)字元或更多，通常執(zhí)行速率較快者可顯示較多的行數(shù)、欄位，速率較慢者在顯示上會(huì)有直接的受限。

　　4、模數(shù)介面（ADC）

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

　　模擬之場(chǎng)合是如此頻繁，所以各廠家提供AD之轉(zhuǎn)換便成為一般之標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（如HOLTEK HT46XX系列），雖然如此，對(duì)於類比/數(shù)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(zhuǎn)換通道有很多，通常內(nèi)部?jī)H有一個(gè)電路處理，靠選擇器切換，對(duì)於時(shí)間考慮不是特別強(qiáng)調(diào)之應(yīng)用上，不致有太大之影響。

　　另外還有一種AD轉(zhuǎn)換方式，就是R-F（Resistance to Freguency），一般運(yùn)用在溫度/濕度之偵測(cè)，利用電阻/電容式感測(cè)器的變化特性，轉(zhuǎn)換成頻率值，以此頻率值來計(jì)算溫度/濕度的相對(duì)性，此類的IC如HOLTEK HT47XX系列。

　　5、數(shù)模轉(zhuǎn)換介面（DAC）

　　在控制類比元件，必須內(nèi)建DAC來應(yīng)對(duì)。MCU內(nèi)部由DA轉(zhuǎn)換暫存器及一階電阻構(gòu)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(shè)一個(gè)數(shù)位值60轉(zhuǎn)換成類比值的計(jì)算方式是（60/256x5V）=1.171875V，例如應(yīng)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也是利用原先將語音錄制成數(shù)位資料，然後用DAC方式將數(shù)位資料音頻轉(zhuǎn)換還原類比語音訊號(hào)。脈寬調(diào)變（PWM）其目的也是以數(shù)位輸出搭配周邊回路，達(dá)到類比的效果，其組成有前置配器（Pre-divider）、計(jì)數(shù)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

　　電話由原來的Pulse演進(jìn)為現(xiàn)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(hào)，所以解碼不易出差錯(cuò)。應(yīng)用在電話產(chǎn)品的MCU時(shí)，DTMF這個(gè)資源常是選擇的重要規(guī)格。

　　7、看門狗（Watchdog Timer）

　　MCU在產(chǎn)品中是不允許停機(jī)的，但受到雜訊干擾或操作不當(dāng)時(shí)，需有防范措施確保MCU在停機(jī)的情況下能夠自動(dòng)重置，讓 MCU能夠繼續(xù)運(yùn)作?？梢哉f看門狗是用來監(jiān)看MCU是否為不正常停機(jī)，許多MCU都已把它列為標(biāo)準(zhǔn)配備。

　　看門狗計(jì)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有停止，它還是繼續(xù)計(jì)數(shù)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(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)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(dāng)?shù)氖。?，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(xiǎn)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(yīng)頻率愈高時(shí)，相對(duì)地耗電量也愈大。因此在一些使用電池供應(yīng)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(yùn)作，主要作為計(jì)時(shí)（RealTime Clock）之用。