深度探究嵌入式MCU硬件設(shè)計(jì)

1引言
　　目前，集成電路的嵌入式技術(shù)發(fā)展越來越快，各色嵌入式產(chǎn)品也越來越受歡迎，尤其是以大屏幕多功能的手機(jī)、平板電腦等為典型代表，做為其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了決定性作用。因此以CPU為核心MCU的設(shè)計(jì)也成為了諸多高等院校、各大公司進(jìn)行市場競爭的一個(gè)主流發(fā)展方向。
　　2 MCU選型技術(shù)
　　微控制器（MCU）的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如消費(fèi)類電子市場中的手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)、MP3、MP4、平板電腦、筆記本電腦、PC機(jī)、各種遙控電動(dòng)玩具等，還有汽車電子的電子鑰匙、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航、倒車影像、倒車?yán)走_(dá)等，還有各種安全防衛(wèi)系統(tǒng)、醫(yī)療器械、工業(yè)控制、武器裝備、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。因此在設(shè)計(jì)MCU之前需要進(jìn)行明確的市場定位，從而使目標(biāo)產(chǎn)品有的放矢，并在高性能、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(yīng)超高溫和超低溫等方面具有很強(qiáng)的競爭力。MCU硬件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：CPU選型和外圍IP核的選取。
　　3 CPU選型
　　CPU作為MCU的大腦，起到控制核心的作用，基本上決定了MCU的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，因此CPU的選型是設(shè)計(jì)MCU的關(guān)鍵。目前，可以用于集成電路嵌入式設(shè)計(jì)的CPU主要有CISC架構(gòu)的80386EX，RISC架構(gòu)的ARM7TDMI/EJ、ARM926EJS/946ES/968ES、ARM1136/56/76、ARMCortex－A5/7/8/9/15、ARMCortex－R4/5/7、ARMCortex－M0/0+/1/3/4、SecurCore000/100/300、MIPS32M4K/4K/14K/24K/34K/74K/1004K/1074K、microMIPS32、SmartMIPS、Nios/NiosII、PowerPC40x/60x/70x/90x、SPARCv7/8/9、LEON2/3/4、OR1000/1200等，其中以ARM系列嵌入式CPU發(fā)展的勢頭最為迅猛，占據(jù)了嵌入式處理器絕大部分的市場份額，而且還在繼續(xù)增長。各家公司的每種處理器都有自己的特點(diǎn)，可以滿足不同的應(yīng)用需求。此外，開發(fā)環(huán)境的完備性、總線接口協(xié)議的高效性、技術(shù)支持的專業(yè)性、IP核種類的豐富性、設(shè)計(jì)資源的開放性以及設(shè)計(jì)者的使用習(xí)慣等，都會(huì)對CPU的選型產(chǎn)生決定性的影響。
　　4外圍IP選取
　　對于應(yīng)用領(lǐng)域而言，外圍IP核起到了很好的支撐作用，因?yàn)槿绻袽CU比作“人”，則外圍IP核相當(dāng)于MCU的“眼”“耳”“口”“鼻”等重要器官，所以外圍IP核的選取也同樣至關(guān)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(xié)議可以分為IBM公司的Core Connect、ARM公司的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）和Silicore Corp公司的Wishbone等；按功能分為接口類IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存儲(chǔ)器控制器，圖像處理類IP核等；存儲(chǔ)器類IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根據(jù)功能不同可以進(jìn)行不同的選擇，還可以集成幾個(gè)相同功能的IP核，如UARTx4有4個(gè)UART接口，I2Cx2則是有2個(gè)I2C接口等。
　　4.2特定用途IP選取
　　特定功能的IP核種類也很多，如時(shí)鐘類的PLL、片上高精度振蕩器，模數(shù)轉(zhuǎn)換類的AD、DA，網(wǎng)絡(luò)類的ETHERNETMAC/PHY、Modem，圖像處理類的H.264、JPEG，接口類的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口類的LVDS、RapidIO、SerDes等，還有各種傳感器等，需要根據(jù)市場定位來確定。
　　5 MCU設(shè)計(jì)
　　5.1硬件設(shè)計(jì)
　　目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經(jīng)大規(guī)模推出各類MCU，而且各具特色，因此設(shè)計(jì)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MCU應(yīng)在系統(tǒng)架構(gòu)等方面有別于這些大公司，一是避免侵權(quán)，二是更有利于市場競爭。同時(shí)應(yīng)做好產(chǎn)品的規(guī)劃：從簡單到復(fù)雜，從單一產(chǎn)品到系列產(chǎn)品，設(shè)計(jì)平臺(tái)不斷維護(hù)與更新，設(shè)計(jì)軟件不斷維護(hù)與升級，設(shè)計(jì)人員的水平不斷提高。主要包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）體系架構(gòu)分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證
　　依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書中的性能指標(biāo)和功能指標(biāo)，首先需要制定設(shè)計(jì)方案：選取幾款CPU以及所有用到的IP核進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，從整體上評估MCU的系統(tǒng)架構(gòu)、CPU的性能指標(biāo)、IP核的功能特性等方面?；趲追N選定的目標(biāo)工藝給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)是否能夠滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，從而確定基本的設(shè)計(jì)方案，然后再根據(jù)具體的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。
　?。?）時(shí)鐘和復(fù)位方案設(shè)計(jì)
　　時(shí)鐘和復(fù)位對整個(gè)電路而言起到了至關(guān)重要的作用。如果這兩路信號有問題，則電路不能正常工作。因此，需要作出詳盡的時(shí)鐘方案和復(fù)位方案，需要給不同的外設(shè)提供不同的時(shí)鐘：USB單獨(dú)時(shí)鐘、CPU等高速外設(shè)一個(gè)時(shí)鐘、UART等低速外設(shè)一個(gè)時(shí)鐘，如圖1示。
　　
　　圖1時(shí)鐘方案示意圖
　?。?）總線方案設(shè)計(jì)
　　采用何種總線、何種組合方式、總線的數(shù)量等關(guān)系到MCU性能的發(fā)揮。以AMBA總線為例，通常的用法是AHB接高速外設(shè)，再通過AHB到APB總線橋來訪問低速外設(shè)。有時(shí)為了提高外設(shè)的訪問速度，一個(gè)MCU內(nèi)部可能有兩條APB總線；也可能有兩條AHB總線。指令和數(shù)據(jù)分離，一條用來數(shù)據(jù)傳輸或圖像處理，另一條用來通用控制。還可能有多層AHB的互連矩陣，便于多個(gè)Master可以同時(shí)訪問多個(gè)不同的高速外設(shè)，從而大幅度提高M(jìn)CU系統(tǒng)性能。因此，總線方案的制定須依據(jù)產(chǎn)品的具體應(yīng)用來確定。
　　（4）功耗管理方案設(shè)計(jì)
　　低功耗是MCU的突出特點(diǎn)之一，因?yàn)镸CU中集成了多種低功耗管理策略：不僅在邏輯上采用門控時(shí)鐘、門級優(yōu)化的方式，而且還在物理上采用多閾值電壓、多電源域、門控電源等方式；同時(shí)更在功能模式上采用了多種模式：正常運(yùn)行模式、睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式等，并嚴(yán)格規(guī)定各種模式下運(yùn)行和關(guān)閉IP核的種類以及各種模式之間的進(jìn)入和退出流程。這既保證了電路的功能，又保證了電路的性能。
　　（5）中斷處理方案設(shè)計(jì)
　　中斷是MCU一項(xiàng)很重要的功能。通過中斷控制，CPU可以快速響應(yīng)外設(shè)的請求。中斷處理一般包括中斷源的數(shù)量、優(yōu)先級、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用模塊來進(jìn)行中斷處理。有時(shí)為了提高設(shè)計(jì)效率，IP銷售商也提供標(biāo)準(zhǔn)的基于AHB或APB等總線接口協(xié)議的IP核。如果此類IP核能夠滿足系統(tǒng)對于中斷處理情況的要求，也可以選用。
　　（6）存儲(chǔ)器管理方案設(shè)計(jì)
　　存儲(chǔ)器是MCU中占面積較大的模塊。一個(gè)MCU中可能同時(shí)含有ROM、SRAM和FLASH三種存儲(chǔ)器：ROM用于放置Boot Loader、IP Drivers等，SRAM用于提高軟件運(yùn)行速度、存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。由于FLASH的讀寫速度比較慢，為了提高FLASH的讀寫速度，可以采用預(yù)取緩沖器和寫緩沖器來加速指令和數(shù)據(jù)的緩沖。由于各個(gè)存儲(chǔ)器都有自己的地址空間，因此很方便用戶訪問。為了便于系統(tǒng)管理，通常設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)器管理模塊，并在系統(tǒng)控制模塊中設(shè)計(jì)對應(yīng)的控制寄存器。
　?。?）在線調(diào)試方案設(shè)計(jì)
　　目前，比較常用的在線調(diào)試方式為串行調(diào)試，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC機(jī)的并口、串口、網(wǎng)口或是USB接口，使得在線調(diào)試簡單方便，成本低廉，如圖2所示。由于被調(diào)試的程序要在目標(biāo)板上運(yùn)行，而且MCU必須正常工作，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的調(diào)試模塊以保證上位機(jī)軟件可以調(diào)用CPU來進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試，并且符合IEEE1149.1的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，此模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　
　　圖2典型在線調(diào)試系統(tǒng)示意圖
　　
　　圖3調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖
　?。?）測試方案設(shè)計(jì)
　　MCU的測試方案主要包括物理測試、功能測試和性能測試幾部分內(nèi)容。先要根據(jù)時(shí)鐘方案和復(fù)位方案對MCU進(jìn)行時(shí)鐘測試，確保時(shí)鐘電路工作正常；再對CPU進(jìn)行功能測試，因?yàn)镃PU是MCU的控制核心，只有CPU正確運(yùn)行才能對其他IP核進(jìn)行測試；然后再依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書對MCU外圍的數(shù)字IP核和模擬IP核進(jìn)行功能測試和性能測試。
　　5.2系統(tǒng)級驗(yàn)證
　　為了確保設(shè)計(jì)的正確性，流片之前必須對MCU進(jìn)行全功能驗(yàn)證。因此需要使用多種IIP和VIP來搭建一個(gè)系統(tǒng)級驗(yàn)證平臺(tái)，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書制定詳細(xì)的驗(yàn)證方案，通過仿真工具，采用定向和隨機(jī)的方式或采用比較流行的OVM、VMM和UVM等驗(yàn)證方法學(xué)、逐個(gè)IP核來驗(yàn)證MCU的全部功能是正確的，重點(diǎn)是系統(tǒng)控制單元、總線仲裁器、功耗管理等為系統(tǒng)功能定制設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)模塊。
　　5.3 FPGA原型驗(yàn)證
　　由于系統(tǒng)級驗(yàn)證使用的是EDA工具進(jìn)行軟件仿真，仿真的速度比較慢，因此可以通過FPGA原型驗(yàn)證的方式來加速系統(tǒng)級驗(yàn)證的速度，尤其是需要將那些功能比較復(fù)雜、規(guī)模比較大的模塊下載到FPGA中，而且應(yīng)盡可能使用規(guī)模比較大的FPGA，如Virtex－7系列、ArriaV系列等。搭建FPGA驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)，不僅可以使用一塊FPGA，也可以使用多塊FPGA，最好能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的所有模塊全部下載到FPGA中。FPGA原型驗(yàn)證不僅要驗(yàn)證硬件的正確性，還要驗(yàn)證IP核驅(qū)動(dòng)程序的正確性，同時(shí)也可以驗(yàn)證目標(biāo)應(yīng)用程序的正確性。
　　5.4物理設(shè)計(jì)
　　在對MCU系統(tǒng)級驗(yàn)證和FPGA原型驗(yàn)證后，需要進(jìn)行物理設(shè)計(jì)：依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書制定合理設(shè)計(jì)約束，從邏輯綜合到自動(dòng)布局布線，再到物理驗(yàn)證、形式驗(yàn)證、靜態(tài)時(shí)序分析和功能驗(yàn)證，完成從RTL到GDSII的轉(zhuǎn)換過程，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至代工廠進(jìn)行加工制造。
　　5.5文檔設(shè)計(jì)
　　文檔是MCU設(shè)計(jì)過程中很重要而且很必要的環(huán)節(jié)，且應(yīng)該在設(shè)計(jì)的不同階段，以模板的形式規(guī)定在此階段所要完成的文檔設(shè)計(jì)，并由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行詳細(xì)審查，從而確保一旦設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了任何問題，都可以查找相關(guān)的設(shè)計(jì)文件以及對應(yīng)的設(shè)計(jì)文檔，尤其是設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)需要體現(xiàn)的很完整。
　　6結(jié)束語
　　以上只是簡要概述了MCU硬件設(shè)計(jì)的主要方面。若要設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高、競爭力強(qiáng)的MCU，還需要進(jìn)行大量的、詳細(xì)的工作，尤其是電路的全功能驗(yàn)證和詳盡測試，并搭建一個(gè)MCU平臺(tái)來進(jìn)行系列產(chǎn)品的開發(fā)，以保證產(chǎn)品可以源源不斷地進(jìn)入嵌入式市場。
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