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 BusArchitecture）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、IP Drivers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，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。
    5.3 FPGA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，能够将设计的所有模块全部到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，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。