浅析嵌入式MCU硬件设计相关要素

一、 引言

目前，集成电路的嵌入式技术发展愈来愈快，各色嵌入式产品也愈来愈受欢迎，尤为是以大屏幕多功能的手机、平板电脑等为典型表明，作为其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了决定性做用。所以以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。

二、 MCU选型技术

微控制器（MCU）的应用领域很是普遍，如消费类电子市场中的手机、照相机、摄像机、MP三、MP四、平板电脑、笔记本电脑、PC机、各类遥控电动玩具等，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，还有各类安全防卫系统、医疗器械、工业控制、武器装备、航空航天等各个领域。所以在设计MCU以前须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备很强的竞争力。MCU硬件设计主要包括两大部分：CPU选型和外围IP核的选取。

三、 CPU选型

CPU做为MCU的大脑，起到控制核心的做用，基本上决定了MCU的目标应用领域，所以CPU的选型是设计MCU的关键。目前，能够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、ARM1136/56/7六、ARMCortex－A5/7/8/9/1五、ARMCortex－R4/5/七、ARMCortex－M0/0+/1/3/四、SecurCore000/100/300、MIPS32M4K/4K/14K/24K/34K/74K/1004K/1074K、microMIPS3二、SmartMIPS、Nios/NiosII、PowerPC40x/60x/70x/90x、SPARCv7/8/九、LEON2/3/四、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，并且还在继续增加。各家公司的每种处理器都有本身的特色，能够知足不一样的应用需求。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。

四、 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做用，由于若是把MCU比做“人”，则外围IP核至关于MCU的“眼”“耳”“口”“鼻”等重要器官，因此外围IP核的选取也一样相当重要。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，按照总线接口协议能够分为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。根据功能不一样能够进行不一样的选择，还能够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接口等信盈达嵌入式企鹅要妖气呜呜吧久零就要。

4.2特定用途IP选取

特定功能的IP核种类也不少，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.26四、JPEG，接口类的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口类的LVDS、RapidIO、SerDes等，还有各类传感器等，须要根据市场定位来肯定。

五、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种MCU，并且各具特点，所以设计具备自主知识产权的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。同时应作好产品的规划：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升。主要包括如下几个方面：

（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，首先须要制定设计方案：选取几款CPU以及全部用到的IP核进行系统级设计，从总体上评估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，确认是否可以知足设计目标的要求，从而肯定基本的设计方案，而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相当重要的做用。若是这两路信号有问题，则电路不能正常工做。所以，须要做出详尽的时钟方案和复位方案，须要给不一样的外设提供不一样的时钟：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，一般的用法是AHB接高速外设，再经过AHB到APB总线桥来访问低速外设。有时为了提升外设的访问速度，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，另外一条用来通用控制。还可能有多层AHB的互连矩阵，便于多个Master能够同时访问多个不一样的高速外设，从而大幅度提升MCU系统性能。所以，总线方案的制定须依据产品的具体应用来肯定。