芝識課堂：MCU外圍電路的重要性與設(shè)計要點

在上一期的芝識課堂中，我們跟大家一起學(xué)習(xí)了Arm Cortex-M3內(nèi)核的各種基本功能，讓大家清晰掌握了其強大性能的來源。不過對一顆MCU來說，性能強大的核心固然重要，外圍電路對MCU整體性能的貢獻同樣不可忽視。一顆MCU主要由處理器、存儲器、I／O接口和多個外圍電路等組成，外圍電路包括定時器（控制時鐘）、比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電源管理和看門狗等。通過外圍電路的優(yōu)化和高效控制，可以充分發(fā)揮處理器內(nèi)核的性能并降低系統(tǒng)功耗。接下來就帶大家深入了解這其中的知識！

東芝MCU一個主打特色就是低功耗。相比于同類內(nèi)核MCU，東芝通過外圍電路的獨特設(shè)置，在同等處理能力的情況下實現(xiàn)了更低的功耗。精準(zhǔn)控制低功耗模式已經(jīng)成為提升MCU能效的重要手段，在低功耗模式控制下，待機運行模式（包括時鐘供給和時鐘停止）受到控制，它將外部中斷信號轉(zhuǎn)換為高電平有效信號并請求中斷，可支持5種中斷信號，即高、低、上升沿、下降沿和雙沿。詳細操作如圖1所示。

圖1 控制時鐘示意

在下圖中，可以讓大家更清晰地了解到時鐘控制如何降低系統(tǒng)功耗，確保某些功能可以繼續(xù)運行，以實現(xiàn)快速喚醒等功能。從圖中大家可以清晰地看到MCU在不同工作狀態(tài)下可以提供的相關(guān)功能。

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圖2 東芝微控制器低功耗模式工作示意

上面只是最簡單的低功耗模式工作狀態(tài)介紹。東芝的部分MCU具有高級低功耗模式，例如可以保存內(nèi)部數(shù)據(jù)的備份模式。如圖3所示，擁有3個不同的IDLE模式可以提供更多的低功耗工作下的功能選擇。

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圖3 多個不同的IDLE模式

僅從低功耗模式的狀態(tài)，便能夠發(fā)現(xiàn)外圍電路對MCU的性能和功耗非常重要，而各類外圍電路對東芝微控制器在不同應(yīng)用中的價值更是不言而喻。下面芝子帶大家來一起探討↓

M320組

數(shù)據(jù)傳輸接口是MCU最基本的應(yīng)用之一，作為具備高速USB和SD卡主機控制器的MCU，東芝的M320組MCU適用于進行大容量數(shù)據(jù)的高速處理，例如音頻控制微控制器。M320組的外圍電路配備了支持USB存儲器和SD卡等廣泛用于數(shù)據(jù)輸入的控制接口以及各項傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使其適合進行大容量數(shù)據(jù)高速處理。值得一提的是，該系列省去了ROM模塊，從而能夠進一步降低系統(tǒng)功耗。

圖4 M320組外圍電路細節(jié)示意

M330組

低功耗MCU永遠不缺乏應(yīng)用場合，M330組主打特點就是前面介紹的低功耗應(yīng)用，其面向的應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)字電視和各類家電等。根據(jù)應(yīng)用需求，在提供低功耗模式的同時，M330組帶有多個定時器、一個串行接口、一個兼容HDMI 1.3 a（CEC）的專用電路和一個遠程控制信號處理器（RMC）。其中HDMI的專用電路非常適合在各類數(shù)字產(chǎn)品中進行數(shù)字電視和高清視頻輸出控制應(yīng)用，同時還能降低軟件成本。RMC確保了在低功耗運營模式時依然能夠接收各類外部控制信號，噪聲濾波器可以阻止不必要的打斷干擾，同時還可以降低軟件解碼處理的成本。

圖5 M330組外圍電路細節(jié)示意

M340組

消費級的精確控制是MCU大展拳腳的舞臺，主打高精度機械控制的M340組主要面向高清攝像機和數(shù)碼相機，其外圍電路針對相機鏡頭控制進行了優(yōu)化，包括用于超聲波電機控制的高分辨率PPG輸出、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。這些模塊使M340組具有適用于高精度模擬設(shè)備的功能，例如超聲波電機控制，因此單獨的微控制器便可以對多種機械進行高度精確的同步控制，還有助于減少材料和縮小印刷電路板尺寸。

圖6 M340組外圍電路細節(jié)示意

M360組

具有豐富的串行I／F的M360組面向辦公室自動化、AV、工業(yè)設(shè)備、PC外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等產(chǎn)品，因此M360組的外圍電路內(nèi)置了多個串行通道以支持多個傳輸標(biāo)準(zhǔn)、電源備份模塊功能（待機功耗降低）、CAN控制器、USB控制器等功能。這些功能不僅讓M360組可以提供廣泛的各類接口，還能確保其低功耗模式時不影響工作性能。

圖7 M360組外圍電路細節(jié)示意

M390組

低工作電壓是降低系統(tǒng)功耗的有效措施，M390組作為一款可實現(xiàn)1.8 V低壓運行的MCU，面向?qū)囊蟊容^高的應(yīng)用和電池供電設(shè)備，以及遠程操控設(shè)備和游戲主機、AV產(chǎn)品等。因此，該系列外圍電路重點集成了一個實時時鐘（RTC），即使在微控制器的主電源沒有電的情況下，也可以通過副電源獨立運行，M390組針對電池驅(qū)動／節(jié)能系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

圖8 M390組的外圍電路示意

M370組

電機控制是MCU的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，M370組非常適合用于需要高可靠性、高工作效率和精準(zhǔn)變速控制的直流無刷（BLDC）電機控制應(yīng)用，如用于家電、空調(diào)、泵、售貨機和ATM機等。針對這些應(yīng)用，M370組集成了用于執(zhí)行電機矢量控制處理的“矢量引擎”硬件以及由單個5 V電源供電的模擬電路（例如外圍運算放大器）。東芝自有設(shè)計的矢量引擎（Vector Engine，簡稱VE）作為東芝最先進的電機控制技術(shù)，用于電機控制的內(nèi)置硬件（矢量引擎、電機控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器）無需軟件即可進行通信。矢量控制過程中大量的數(shù)學(xué)計算可由系統(tǒng)自主完成，從而改善電機控制，減少組件數(shù)量，降低能耗和功耗，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計空間和成本。

圖9 M370組外圍電路詳細配置

M380組

大功率家電需要低成本數(shù)字電路控制，面向冰箱、微波爐、空調(diào)等大功率家電的M380組微控制器，內(nèi)置提供用于電機電路的3相控制的專門PWM單元，采用功率半導(dǎo)體作為控制電路的16位可編程程序脈沖發(fā)生器。M380組包含了一個多功能定時器，可以控制家用電器中的電源設(shè)備的。它通過一個5 V電源實現(xiàn)電機和IH控制。M380組只需一張芯片便可支持多種家電功能。

圖10 M380組外圍電路詳細配置

審核編輯：黃飛

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