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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。 file:///C:\Users\郭曉娟\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDEC7.tmp.png 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信盈達嵌入式物聯網智能硬件企鵝要妖氣嗚嗚吧久零就要。 （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。 |
