浅谈嵌入式MCU硬件设计

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，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