一文簡述MCU最小系統(tǒng)

MCU-1---MCU最小系統(tǒng)

引言：簡單的單板多由一個MCU組成，而復雜的單板往往由多個MCU和多個SOC組成，各個子系統(tǒng)執(zhí)行自己的任務，互相之間經過通訊網絡交流子系統(tǒng)的狀態(tài)，任務執(zhí)行結果等等，一起組成更大的系統(tǒng)，本節(jié)簡述MCU的最小系統(tǒng)。

1.MCU最小系統(tǒng)組成

圖1-1：典型的MCU最小系統(tǒng)

如圖1-1是最常見的MCU最小系統(tǒng)，由MCU、時鐘、電源三大部分組成，MCU本身內置flash和RAM或者SRAM。

圖1-2：外置flash的MCU最小系統(tǒng)

MCU外置flash比較少見，因為使用外置flash的MCU一般制程較高，例如芯馳的E3600，采用22nm工藝，然而目前22nm目前還沒有成熟的車規(guī)嵌入式Flash工藝，因此芯馳采用的是Logic工藝，需要XIP外部Flash(注意有的MCU也支持Nand Flash而非一定是Nor Flash，主要看內部S/RAM是否支持鏈接運行)。但是22nm制程高，可以帶來更強的計算能力，芯馳E3600的主頻可以到600MHz。

目前嵌入式車規(guī)工藝最具性價比的是40nm，也是國內多家車規(guī)MCU芯片公司的共同選擇，目前MCU芯片的主流工藝是110/65/55/40。XIP Flash和eFlash(內嵌)在帶寬，功耗，功能安全，可靠性方面均有所不同，XIP Flash容量相對比較大，但整體性能和可靠性稍遜于eFlash。(傳送門：Digital series-Storage-1：什么是串行Nor Flash?/Digital series-Storage-2：什么是串行Nor Flash-2)

圖1-3：更高性能的MCU

如圖1-3，部分高性能MCU需要執(zhí)行的程序更大更復雜，不僅MCU內部有flash和RAM，還有額外的接口支持外部flash、DRAM和SRAM，以此釋放MCU的全部性能。此時圖1-3所示的最小系統(tǒng)已經非常接近SOC的系統(tǒng)構成。

2.MCU時鐘管理

一般MCU時鐘管理系統(tǒng)支持多個時鐘源和時鐘低功耗管理，外部時鐘源諸如24/20MHz晶體等，也支持通過引腳從外部輸入相同頻率的有源時鐘，外部時鐘源是片上各個PLL的時鐘源。此外，部分MCU還接入32.768KHz片上振蕩器，即XTAL32K，支持32.768KHz晶體，用于電池備份域外設如實時時鐘(RTC)等的時鐘源。

MCU其內部具有RC振蕩器，即內置的時鐘源，例如RC24M，即頻率為24MHz，內置時鐘頻率不可更改，且精度和穩(wěn)定性沒有外置的好。(傳送門：Analog series-OSC-1：無源晶振的基礎/Analog series-OSC-6：詳細解析如何設計無源晶振電路)

MCU內部時鐘樹上具有多個鎖相環(huán)PLL，支持小數分頻和展頻(可理解為分頻和倍頻)，還支持低功耗管理，支持自動時鐘門控。

3.MCU內存管理

高性能MCU還具有外部存儲器接口，包括串行總線控制器XPI，可以連接片外的各種SPI串行存儲設備，也可以連接支持串行總線的器件。多功能外部存儲器控制器FEMC，包括DRAM控制器和SRAM控制器，其中DRAM支持SDRAM和支持LPSDR SDRAM，可以到8 位，16位和32位數據寬度，SDRAM頻率最高166MHz。SRAM控制器支持連接外部SRAM存儲器或者訪問接口兼容SRAM的外部器件，支持異步訪問和數據地址復用模式 (ADMUX) 或者非復用模式 (Non-ADMUX)，數據寬度可以支持8位或16位甚至更高數據端口。

4.MCU啟動管理

簡單的MCU小系統(tǒng)，如圖1-2所示，S/RAM和flash均在MCU內部，它的啟動就比較簡單，片上啟動就可以，并且其Bootloader可以獨立編寫也可以和正式程序合并在一起，所以可以理解為其沒有Bootloader。

高性能MCU內部會獨立部署一小塊只讀存儲器ROM(在片內的一小塊norflash上)，容量很小，例如128KB，稱為BootROM，BootROM固化在SOC內部，存放本產品的啟動代碼，閃存加載(Flashloader)和部分外設驅動程序。

簡單的單片機沒有BootROM，因為單片機上電立即從0x0000000的地方開始讀取代碼執(zhí)行，本身代碼就在Norflash上，CPU直接跳轉過去執(zhí)行，STM32系列就沒有BootROM。高性能MCU有外置SARM或者DRAM時，運行整個程序之前就需要有初始化代碼初始化動態(tài)內存，初始化完成之后，SARM或者DRAM才能開始正式運行主程序。

BootROM為該芯片上電后執(zhí)行的第一段程序, 它支持如下功能：

1：從串行Nor Flash啟動

2：UART/USB啟動

3：在系統(tǒng)編程 (ISP)

4：安全啟動

5：低功耗喚醒

6：多種ROM API

芯片默認是通過BOOT_MODE[1:0]=[PZ07:PZ06] 引腳選擇三種不同的啟動模式，啟動配置如表1-1舉例所示：

表1-1：啟動模式配置舉例

5.MCU復位管理

通常MCU有一個復位引腳RESETN，這個引腳叫全局復位引腳，可以復位整個芯片，還有部分MCU會單獨引出另外幾種復位功能引腳，包括調試復位(DEBUG RST)、看門狗復位(WDOGx RST)、軟件復位(SW RST)等等。

如果MCU本身自帶電源管理模塊，則RESETN也稱為電池備份域復位，可以復位整個芯片，包括電池備份域(有的話)，電源管理域和系統(tǒng)電源域。

6.MCU不啟動的初步排查

針對MCU最小系統(tǒng)的三要素(電源、時鐘、復位)，無論是簡單還是高性能MCU，它們初始無法啟動的排查點如下：

1：檢查各路電源是否都到位以及電源質量和上電時序是否都滿足MCU的要求。

2：檢查MCU的時鐘是否起振以及晶振輸出波形的質量(振蕩幅度，頻偏等等)。

3：檢查與MCU關聯的復位邏輯，主要是給MCU的復位信號是否異常讓MCU一直處于復位狀態(tài)導致無法啟動。