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標題: 嵌入式MCU硬件設計 [打印本頁]

作者: hmf123 時間: 2017-7-13 10:28
標題: 嵌入式MCU硬件設計

MCU設計

　　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。

　　（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BootLoader、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。

　　（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。

　　5.4物理設計

　　在對MCU系統級驗證和FPGA原型驗證后，需要進行物理設計：依據設計規格書制定合理設計約束，從邏輯綜合到自動布局布線，再到物理驗證、形式驗證、靜態時序分析和功能驗證，完成從RTL到GDSII的轉換過程，最后將數據發送至代工廠進行加工制造。

　　5.5文檔設計

　　文檔是MCU設計過程中很重要而且很必要的環節，且應該在設計的不同階段，以模板的形式規定在此階段所要完成的文檔設計，并由項目負責人進行詳細審查，從而確保一旦設計中出現了任何問題，都可以查找相關的設計文件以及對應的設計文檔，尤其是設計的細節需要體現的很完整。

　　以上只是簡要概述了MCU硬件設計的主要方面。若要設計一個性價比高、競爭力強的MCU，還需要進行大量的、詳細的工作，尤其是電路的全功能驗證和詳盡測試，并搭建一個MCU平臺來進行系列產品的開發，以保證產品可以源源不斷地進入嵌入式市場。

作者: wuzhenhua 時間: 2017-9-20 18:12
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