浅析嵌入式MCU硬件设计相关要素

浅析嵌入式MCU硬件设计相关要素1、引言目前，集成电路的嵌入式技术发展越来越快，各色嵌入式产品也越来越受欢迎，尤其是以大屏幕多功能的手机、平板电脑等为典型代表，做为其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了决定性作用。因此以CPU为核心MCU的设计也成为了诸多高等院校、各大公司进行市场竞争的一个主流发展方向。2、MCU选型技术微控制器（MCU）的应用领域非常广泛，如消费类电子市场中的手机、照相机、摄像机、MP3、MP4、平板电脑、笔记本电脑、PC机、各种遥控电动玩具等，还有汽车电子的电子钥匙、控制系统、导航、倒车影像、倒车雷达等，还有各种安全防卫系统、医疗器械、工业控制、武器装备、航空航天等各个领域。因此在设计MCU之前需要进行明确的市场定位，从而使目标产品有的放矢，并在高性能、低成本、多功能、轻体积、低功耗、高可靠、散热好、抗辐照、抗单粒子、适应超高温和超低温等方面具有很强的竞争力。MCU硬件设计主要包括两大部分：CPU选型和外围IP核的选取。3、CPU选型CPU作为MCU的大脑，起到控制核心的作用，基本上决定了MCU的目标应用领域，因此CPU的选型是设计MCU的关键。目前，可以用于集成电路嵌入式设计的CPU主要有CISC架构的80386EX，RISC架构的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发展的势头最为迅猛，占据了嵌入式处理器绝大部分的市场份额，而且还在继续增长。各家公司的每种处理器都有自己的特点，可以满足不同的应用需求。此外，开发环境的完备性、总线接口协议的高效性、技术支持的专业性、IP核种类的丰富性、设计资源的开放性以及设计者的使用习惯等，都会对CPU的选型产生决定性的影响。4、外围IP选取对于应用领域而言，外围IP核起到了很好的支撑作用，因为如果把MCU比作“人”，则外围IP核相当于MCU的“眼”“耳”“口”“鼻”等重要器官，所以外围IP核的选取也同样至关重要。IP核的选取包括通用IP核和特定用途IP核两种。4.1通用IP选取目前，通用IP核的种类比较繁多，按照总线接口协议可以分为IBM公司的CoreConnect、ARM公司的AMBA（AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture）和SilicoreCorp公司的Wishbone等；按功能分为接口类IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存储器控制器，图像处理类IP核等；存储器类IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根据功能不同可以进行不同的选择，还可以集成几个相同功能的IP核，如UARTx4有4个UART接口，I2Cx2则是有2个I2C接口等。4.2特定用途IP选取特定功能的IP核种类也很多，如时钟类的PLL、片上高精度振荡器，模数转换类的AD、DA，网络类的ETHERNETMAC/PHY、Modem，图像处理类的H.264、JPEG，接口类的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口类的LVDS、RapidIO、SerDes等，还有各种传感器等，需要根据市场定位来确定。5、MCU设计5.1硬件设计目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已经大规模推出各类MCU，而且各具特色，因此设计具有自主知识产权的MCU应在系统架构等方面有别于这些大公司，一是避免侵权，二是更有利于市场竞争。同时应做好产品的规划：从简单到复杂，从单一产品到系列产品，设计平台不断维护与更新，设计软件不断维护与升级，设计人员的水平不断提高。主要包括以下几个方面：（1）体系架构分析、设计和验证依据设计规格书中的性能指标和功能指标，首先需要制定设计方案：选取几款CPU以及所有用到的IP核进行系统级设计，从整体上评估MCU的系统架构、CPU的性能指标、IP核的功能特性等方面。基于几种选定的目标工艺给出相应的数据分析，确认是否能够满足设计目标的要求，从而确定基本的设计方案，然后再根据具体的设计结果进行相应的优化。（2）时钟和复位方案设计时钟和复位对整个电路而言起到了至关重要的作用。如果这两路信号有问题，则电路不能正常工作。因此，需要作出详尽的时钟方案和复位方案，需要给不同的外设提供不同的时钟：USB单独时钟、CPU等高速外设一个时钟、UART等低速外设一个时钟，如图1示。图1时钟方案示意图（3）总线方案设计采用何种总线、何种组合方式、总线的数量等关系到MCU性能的发挥。以AMBA总线为例，通常的用法是AHB接高速外设，再通过AHB到APB总线桥来访问低速外设。有时为了提高外设的访问速度，一个MCU内部可能有两条APB总线；也可能有两条AHB总线。指令和数据分离，一条用来数据传输或图像处理，另一条用来通用控制。还可能有多层AHB的互连矩阵，便于多个Master可以同时访问多个不同的高速外设，从而大幅度提高MCU系统性能。因此，总线方案的制定须依据产品的具体应用来确定。（4）功耗管理方案设计低功耗是MCU的突出特点之一，因为MCU中集成了多种低功耗管理策略：不仅在逻辑上采用门控时钟、门级优化的方式，而且还在物理上采用多阈值电压、多电源域、门控电源等方式；同时更在功能模式上采用了多种模式：正常运行模式、睡眠模式、深度睡眠模式、掉电模式等，并严格规定各种模式下运行和关闭IP核的种类以及各种模式之间的进入和退出流程。这既保证了电路的功能，又保证了电路的性能。（5）中断处理方案设计中断是MCU一项很重要的功能。通过中断控制，CPU可以快速响应外设的请求。中断处理一般包括中断源的数量、优先级、是否可屏蔽、是一般中断还是快速中断等，通常需要设计一个专用模块来进行中断处理。有时为了提高设计效率，IP销售商也提供标准的基于AHB或APB等总线接口协议的IP核。如果此类IP核能够满足系统对于中断处理情况的要求，也可以选用。（6）存储器管理方案设计存储器是MCU中占面积较大的模块。一个MCU中可能同时含有ROM、SRAM和FLASH三种存储器：ROM用于放置BootLoader、IPDrivers等，SRAM用于提高软件运行速度、存放临时数据，FLASH用于存放应用程序和数据。由于FLASH的读写速度比较慢，为了提高FLASH的读写速度，可以采用预取缓冲器和写缓冲器来加速指令和数据的缓冲。由于各个存储器都有自己的地址空间，因此很方便用户访问。为了便于系统管理，通常设计一个存储器管理模块，并在系统控制模块中设计对应的控制寄存器。（7）在线调试方案设计目前，比较常用的在线调试方式为串行调试，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC机的并口、串口、网口或是USB接口，使得在线调试简单方便，成本低廉，如图2所示。由于被调试的程序要在目标板上运行，而且MCU必须正常工作，因此需要设计一个专用的调试模块以保证上位机软件可以调用CPU来进行软硬件的在线调试，并且符合IEEE1149.1的协议标准，此模块的基本结构如图3所示。图2典型在线调试系统示意图图3调试结构示意图（8）测试方案设计MCU的测试方案主要包括物理测试、功能测试和性能测试几部分内容。先要根据时钟方案和复位方案对MCU进行时钟测试，确保时钟电路工作正常；再对CPU进行功能测试，因为CPU是MCU的控制核心，只有CPU正确运行才能对其他IP核进行测试；然后再依据设计规格书对MCU外围的数字IP核和模拟IP核进行功能测试和性能测试。5.2系统级验证为了确保设计的正确性，流片之前必须对MCU进行全功能验证。因此需要使用多种IIP和VIP来搭建一个系统级验证平台，依据设计规格书制定详细的验证方案，通过仿真工具，采用定向和随机的方式或采用比较流行的OVM、VMM和UVM等验证方法学、逐个IP核来验证MCU的全部功能是正确的，重点是系统控制单元、总线仲裁器、功耗管理等为系统功能定制设计的非标准模块。5.3FPGA原型验证由于系统级验证使用的是EDA工具进行软件仿真，仿真的速度比较慢，因此可以通过FPGA原型验证的方式来加速系统级验证的速度，尤其是需要将那些功能比较复杂、规模比较大的模块下载到FPGA中，而且应尽可能使用规模比较大的FPGA，如Virtex－7系列、ArriaV系列等。搭建FPGA验证平台时，不仅可以使用一块FPGA，也可以使用多块FPGA，最好能够将设计的所有模块全部下载到FPGA中。FPGA原型验证不仅要验证硬件的正确性，还要验证IP核驱动程序的正确性，同时也可以验证目标应用程序的正确性。5.4物理设计在对MCU系统级验证和FPGA原型验证后，需要进行物理设计：依据设计规格书制定合理设计约束，从逻辑综合到自动布局布线，再到物理验证、形式验证、静态时序分析和功能验证，完成从RTL到GDSII的转换过程，最后将数据发送至代工厂进行加工制造。5.5文档设计文档是MCU设计过程中很重要而且很必要的环节，且应该在设计的不同阶段，以模板的形式规定在此阶段所要完成的文档设计，并由项目负责人进行详细审查，从而确保一旦设计中出现了任何问题，都可以查找相关的设计文件以及对应的设计文档，尤其是设计的细节需要体现的很完整。5、结束语以上只是简要概述了MCU硬件设计的主要方面。若要设计一个性价比高、竞争力强的MCU，还需要进行大量的、详细的工作，尤其是电路的全功能验证和详尽测试，并搭建一个MCU平台来进行系列产品的开发，以保证产品可以源源不断地进入嵌入式市场。