嵌入式MCU硬件设计要素浅析介绍.pdf

嵌入式MCU 硬件设计要素浅析 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，