淺析嵌入式MCU硬件設計方案

1 引言

目前，集成電路的嵌入式技術發展越來越快，各色嵌入式產品也越來越受歡迎，尤其是以大屏幕多功能的手機、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的設計也成為了諸多高等院校、各大公司進行市場競爭的一個主流發展方向。

2 MCU選型技術

微控制器（MCU）的應用領域非常廣泛，如消費類電子市場中的手機、照相機、攝像機、MP3、MP4、平板電腦、筆記本電腦、PC機、各種遙控電動玩具等，還有汽車電子的電子鑰匙、控制系統、導航、倒車影像、倒車雷達等，還有各種安全防衛系統、醫療器械、工業控制、武器裝備、航空航天等各個領域。因此在設計MCU之前需要進行明確的市場定位，從而使目標產品有的放矢，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、適應超高溫和超低溫等方面具有很強的競爭力。MCU硬件設計主要包括兩大部分：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的目標應用領域，因此CPU的選型是設計MCU的關鍵。目前，可以用于集成電路嵌入式設計的CPU主要有CISC架構的80386EX，RISC架構的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發展的勢頭最為迅猛，占據了嵌入式處理器絕大部分的市場份額，而且還在繼續增長。各家公司的每種處理器都有自己的特點，可以滿足不同的應用需求。此外，開發環境的完備性、總線接口協議的高效性、技術支持的專業性、IP核種類的豐富性、設計資源的開放性以及設計者的使用習慣等，都會對CPU的選型產生決定性的影響。

4 外圍IP選取

對于應用領域而言，外圍IP核起到了很好的支撐作用，因為如果把MCU比作“人”，則外圍IP核相當于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、存儲器控制器，圖像處理類IP核等；存儲器類IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根據功能不同可以進行不同的選擇，還可以集成幾個相同功能的IP核，如UARTx4有4個UART接口，I2Cx2則是有2個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，如時鐘類的PLL、片上高精度振蕩器，模數轉換類的AD、DA，網絡類的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，需要根據市場定位來確定。

5 MCU設計

5.1 硬件設計

目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經大規模推出各類MCU，而且各具特色，因此設計具有自主知識產權的MCU應在系統架構等方面有別于這些大公司，一是避免侵權，二是更有利于市場競爭。同時應做好產品的規劃：從簡單到復雜，從單一產品到系列產品，設計平臺不斷維護與更新，設計軟件不斷維護與升級，設計人員的水平不斷提高。主要包括以下幾個方面：

（1）體系架構分析、設計和驗證

依據設計規格書中的性能指標和功能指標，首先需要制定設計方案：選取幾款CPU以及所有用到的IP核進行系統級設計，從整體上評估MCU的系統架構、CPU的性能指標、IP核的功能特性等方面。基于幾種選定的目標工藝給出相應的數據分析，確認是否能夠滿足設計目標的要求，從而確定基本的設計方案，然后再根據具體的設計結果進行相應的優化。

（2）時鐘和復位方案設計

時鐘和復位對整個電路而言起到了至關重要的作用。如果這兩路信號有問題，則電路不能正常工作。因此，需要作出詳盡的時鐘方案和復位方案，需要給不同的外設提供不同的時鐘：USB單獨時鐘、CPU等高速外設一個時鐘、UART等低速外設一個時鐘，如圖1示。

淺析嵌入式MCU硬件設計方案

圖1時鐘方案示意圖

（3）總線方案設計

采用何種總線、何種組合方式、總線的數量等關系到MCU性能的發揮。以AMBA總線為例，通常的用法是AHB接高速外設，再通過AHB到APB總線橋來訪問低速外設。有時為了提高外設的訪問速度，一個MCU內部可能有兩條APB總線；也可能有兩條AHB總線。指令和數據分離，一條用來數據傳輸或圖像處理，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Master可以同時訪問多個不同的高速外設，從而大幅度提高MCU系統性能。因此，總線方案的制定須依據產品的具體應用來確定。

（4）功耗管理方案設計

低功耗是MCU的突出特點之一，因為MCU中集成了多種低功耗管理策略：不僅在邏輯上采用門控時鐘、門級優化的方式，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；同時更在功能模式上采用了多種模式：正常運行模式、睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式等，并嚴格規定各種模式下運行和關閉IP核的種類以及各種模式之間的進入和退出流程。這既保證了電路的功能，又保證了電路的性能。

（5）中斷處理方案設計

中斷是MCU一項很重要的功能。通過中斷控制，CPU可以快速響應外設的請求。中斷處理一般包括中斷源的數量、優先級、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設計一個專用模塊來進行中斷處理。有時為了提高設計效率，IP銷售商也提供標準的基于AHB或APB等總線接口協議的IP核。如果此類IP核能夠滿足系統對于中斷處理情況的要求，也可以選用。

（6）存儲器管理方案設計

存儲器是MCU中占面積較大的模塊。一個MCU中可能同時含有ROM、SRAM和FLASH三種存儲器：ROM用于放置Boot Loader、IP Drivers等，SRAM用于提高軟件運行速度、存放臨時數據，FLASH用于存放應用程序和數據。由于FLASH的讀寫速度比較慢，為了提高FLASH的讀寫速度，可以采用預取緩沖器和寫緩沖器來加速指令和數據的緩沖。由于各個存儲器都有自己的地址空間，因此很方便用戶訪問。為了便于系統管理，通常設計一個存儲器管理模塊，并在系統控制模塊中設計對應的控制寄存器。

（7）在線調試方案設計

目前，比較常用的在線調試方式為串行調試，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC機的并口、串口、網口或是USB接口，使得在線調試簡單方便，成本低廉，如圖2所示。由于被調試的程序要在目標板上運行，而且MCU必須正常工作，因此需要設計一個專用的調試模塊以保證上位機軟件可以調用CPU來進行軟硬件的在線調試，并且符合IEEE1149.1的協議標準，此模塊的基本結構如圖3所示。

淺析嵌入式MCU硬件設計方案

圖2典型在線調試系統示意圖

淺析嵌入式MCU硬件設計方案

圖3調試結構示意圖

（8）測試方案設計

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容。先要根據時鐘方案和復位方案對MCU進行時鐘測試，確保時鐘電路工作正常；再對CPU進行功能測試，因為CPU是MCU的控制核心，只有CPU正確運行才能對其他IP核進行測試；然后再依據設計規格書對MCU外圍的數字IP核和模擬IP核進行功能測試和性能測試。

5.2 系統級驗證

為了確保設計的正確性，流片之前必須對MCU進行全功能驗證。因此需要使用多種IIP和VIP來搭建一個系統級驗證平臺，依據設計規格書制定詳細的驗證方案，通過仿真工具，采用定向和隨機的方式或采用比較流行的OVM、VMM和UVM等驗證方法學、逐個IP核來驗證MCU的全部功能是正確的，重點是系統控制單元、總線仲裁器、功耗管理等為系統功能定制設計的非標準模塊。

5.3 FPGA原型驗證

由于系統級驗證使用的是EDA工具進行軟件仿真，仿真的速度比較慢，因此可以通過FPGA原型驗證的方式來加速系統級驗證的速度，尤其是需要將那些功能比較復雜、規模比較大的模塊下載到FPGA中，而且應盡可能使用規模比較大的FPGA，如Virtex-7系列、ArriaV系列等。搭建FPGA驗證平臺時，不僅可以使用一塊FPGA，也可以使用多塊FPGA，最好能夠將設計的所有模塊全部下載到FPGA中。FPGA原型驗證不僅要驗證硬件的正確性，還要驗證IP核驅動程序的正確性，同時也可以驗證目標應用程序的正確性。