MCU硬件設(shè)計(jì)淺析

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（1） 總線方案設(shè)計(jì)

采用何種總線,、何種組合方式,、總線的數(shù)量等關(guān)系到MCU性能的發(fā)揮。以AMBA總線為例,，通常的用法是AHB接高速外設(shè),，再通過(guò)AHB到APB總線橋來(lái)訪問(wèn)低速外設(shè),。有時(shí)為了提高外設(shè)的訪問(wèn)速度，一個(gè)MCU內(nèi)部可能有兩條APB總線,；也可能有兩條AHB總線,。指令和數(shù)據(jù)分離，一條用來(lái)數(shù)據(jù)傳輸或圖像處理,，另一條用來(lái)通用控制,。還可能有多層AHB的互連矩陣，便于多個(gè)Master可以同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)不同的高速外設(shè),，從而大幅度提高M(jìn)CU系統(tǒng)性能,。因此，總線方案的制定須依據(jù)產(chǎn)品的具體應(yīng)用來(lái)確定信盈達(dá)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)智能硬件企鵝要妖氣嗚嗚吧久零就要,。

（2） 功耗管理方案設(shè)計(jì)

低功耗是MCU的突出特點(diǎn)之一,，因?yàn)镸CU中集成了多種低功耗管理策略：不僅在邏輯上采用門(mén)控時(shí)鐘、門(mén)級(jí)優(yōu)化的方式,，而且還在物理上采用多閾值電壓,、多電源域、門(mén)控電源等方式,；同時(shí)更在功能模式上采用了多種模式：正常運(yùn)行模式,、睡眠模式、深度睡眠模式,、掉電模式等,，并嚴(yán)格規(guī)定各種模式下運(yùn)行和關(guān)閉IP核的種類(lèi)以及各種模式之間的進(jìn)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,。

（3） 中斷處理方案設(shè)計(jì)

中斷是MCU一項(xiàng)很重要的功能。通過(guò)中斷控制,，CPU可以快速響應(yīng)外設(shè)的請(qǐng)求。中斷處理一般包括中斷源的數(shù)量,、優(yōu)先級(jí),、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等,，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用模塊來(lái)進(jìn)行中斷處理,。有時(shí)為了提高設(shè)計(jì)效率，IP銷(xiāo)售商也提供標(biāo)準(zhǔn)的基于AHB或APB等總線接口協(xié)議的IP核,。如果此類(lèi)IP核能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)于中斷處理情況的要求,，也可以選用。

（4） 存儲(chǔ)器管理方案設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器是MCU中占面積較大的模塊,。一個(gè)MCU中可能同時(shí)含有ROM,、SRAM和FLASH三種存儲(chǔ)器：ROM用于放置Boot Loader、IP Drivers等，SRAM用于提高軟件運(yùn)行速度,、存放臨時(shí)數(shù)據(jù),，F(xiàn)LASH用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。由于FLASH的讀寫(xiě)速度比較慢,，為了提高FLASH的讀寫(xiě)速度,，可以采用預(yù)取緩沖器和寫(xiě)緩沖器來(lái)加速指令和數(shù)據(jù)的緩沖。由于各個(gè)存儲(chǔ)器都有自己的地址空間,，因此很方便用戶(hù)訪問(wèn),。為了便于系統(tǒng)管理，通常設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)器管理模塊,，并在系統(tǒng)控制模塊中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制寄存器,。

（5） 在線調(diào)試方案設(shè)計(jì)

目前，比較常用的在線調(diào)試方式為串行調(diào)試,，如JTAG,、EJTAG、UART等,，使用PC機(jī)的并口,、串口、網(wǎng)口或是USB接口,，使得在線調(diào)試簡(jiǎn)單方便,，成本低廉，如圖2所示,。由于被調(diào)試的程序要在目標(biāo)板上運(yùn)行,，而且MCU必須正常工作，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用的調(diào)試模塊以保證上位機(jī)軟件可以調(diào)用CPU來(lái)進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試,，并且符合IEEE1149.1的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),，此模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

file:///C:\Users\郭曉娟\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps74FD.tmp.png
* ^0 s3 U( o' ~圖2典型在線調(diào)試系統(tǒng)示意圖

file:///C:\Users\郭曉娟\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps74FE.tmp.png
: X8 X/ p; }1 E% X  N/ F圖3調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖

（6） 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

MCU的測(cè)試方案主要包括物理測(cè)試,、功能測(cè)試和性能測(cè)試幾部分內(nèi)容,。先要根據(jù)時(shí)鐘方案和復(fù)位方案對(duì)MCU進(jìn)行時(shí)鐘測(cè)試，確保時(shí)鐘電路工作正常,；再對(duì)CPU進(jìn)行功能測(cè)試,，因?yàn)镃PU是MCU的控制核心，只有CPU正確運(yùn)行才能對(duì)其他IP核進(jìn)行測(cè)試,；然后再依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)對(duì)MCU外圍的數(shù)字IP核和模擬IP核進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試,。

5.2系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證

為了確保設(shè)計(jì)的正確性，流片之前必須對(duì)MCU進(jìn)行全功能驗(yàn)證,。因此需要使用多種IIP和VIP來(lái)搭建一個(gè)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證平臺(tái),，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)制定詳細(xì)的驗(yàn)證方案,，通過(guò)仿真工具，采用定向和隨機(jī)的方式或采用比較流行的OVM,、VMM和UVM等驗(yàn)證方法學(xué),、逐個(gè)IP核來(lái)驗(yàn)證MCU的全部功能是正確的，重點(diǎn)是系統(tǒng)控制單元,、總線仲裁器,、功耗管理等為系統(tǒng)功能定制設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)模塊。

5.3 FPGA原型驗(yàn)證

由于系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證使用的是EDA工具進(jìn)行軟件仿真,，仿真的速度比較慢,，因此可以通過(guò)FPGA原型驗(yàn)證的方式來(lái)加速系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的速度，尤其是需要將那些功能比較復(fù)雜,、規(guī)模比較大的模塊下載到FPGA中,，而且應(yīng)盡可能使用規(guī)模比較大的FPGA，如Virtex－7系列,、ArriaV系列等,。搭建FPGA驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)，不僅可以使用一塊FPGA,，也可以使用多塊FPGA,，最好能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的所有模塊全部下載到FPGA中。FPGA原型驗(yàn)證不僅要驗(yàn)證硬件的正確性,，還要驗(yàn)證IP核驅(qū)動(dòng)程序的正確性,，同時(shí)也可以驗(yàn)證目標(biāo)應(yīng)用程序的正確性。

5.4物理設(shè)計(jì)

在對(duì)MCU系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證和FPGA原型驗(yàn)證后,，需要進(jìn)行物理設(shè)計(jì)：依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)制定合理設(shè)計(jì)約束,，從邏輯綜合到自動(dòng)布局布線，再到物理驗(yàn)證,、形式驗(yàn)證,、靜態(tài)時(shí)序分析和功能驗(yàn)證，完成從RTL到GDSII的轉(zhuǎn)換過(guò)程,，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至代工廠進(jìn)行加工制造,。

5.5文檔設(shè)計(jì)

文檔是MCU設(shè)計(jì)過(guò)程中很重要而且很必要的環(huán)節(jié)，且應(yīng)該在設(shè)計(jì)的不同階段,，以模板的形式規(guī)定在此階段所要完成的文檔設(shè)計(jì)，并由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行詳細(xì)審查,，從而確保一旦設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了任何問(wèn)題,，都可以查找相關(guān)的設(shè)計(jì)文件以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)文檔，尤其是設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)需要體現(xiàn)的很完整,。

1,、 結(jié)束語(yǔ)

以上只是簡(jiǎn)要概述了MCU硬件設(shè)計(jì)的主要方面,。若要設(shè)計(jì)一個(gè)性?xún)r(jià)比高、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的MCU,，還需要進(jìn)行大量的,、詳細(xì)的工作，尤其是電路的全功能驗(yàn)證和詳盡測(cè)試,，并搭建一個(gè)MCU平臺(tái)來(lái)進(jìn)行系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),，以保證產(chǎn)品可以源源不斷地進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)。