嵌入式MCU硬件設(shè)計(jì)

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MCU設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)

　　目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經(jīng)大規(guī)模推出各類(lèi)MCU，而且各具特色，因此設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MCU應(yīng)在系統(tǒng)架構(gòu)等方面有別于這些大公司，一是避免侵權(quán)，二是更有利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)應(yīng)做好產(chǎn)品的規(guī)劃：從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單一產(chǎn)品到系列產(chǎn)品，設(shè)計(jì)平臺(tái)不斷維護(hù)與更新，設(shè)計(jì)軟件不斷維護(hù)與升級(jí)，設(shè)計(jì)人員的水平不斷提高。主要包括以下幾個(gè)方面：

　�。�1）體系架構(gòu)分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中的性能指標(biāo)和功能指標(biāo)，首先需要制定設(shè)計(jì)方案：選取幾款CPU以及所有用到的IP核進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，從整體上評(píng)估MCU的系統(tǒng)架構(gòu)、CPU的性能指標(biāo)、IP核的功能特性等方面�；�于幾種選定的目標(biāo)工藝給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，從而確定基本的設(shè)計(jì)方案，然后再根據(jù)具體的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

　�。�2）時(shí)鐘和復(fù)位方案設(shè)計(jì)

時(shí)鐘和復(fù)位對(duì)整個(gè)電路而言起到了至關(guān)重要的作用。如果這兩路信號(hào)有問(wèn)題，則電路不能正常工作。因此，需要作出詳盡的時(shí)鐘方案和復(fù)位方案，需要給不同的外設(shè)提供不同的時(shí)鐘：USB單獨(dú)時(shí)鐘、CPU等高速外設(shè)一個(gè)時(shí)鐘、UART等低速外設(shè)一個(gè)時(shí)鐘。

　�。�3）總線(xiàn)方案設(shè)計(jì)

　　采用何種總線(xiàn)、何種組合方式、總線(xiàn)的數(shù)量等關(guān)系到MCU性能的發(fā)揮。以AMBA總線(xiàn)為例，通常的用法是AHB接高速外設(shè)，再通過(guò)AHB到APB總線(xiàn)橋來(lái)訪(fǎng)問(wèn)低速外設(shè)。有時(shí)為了提高外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)速度，一個(gè)MCU內(nèi)部可能有兩條APB總線(xiàn)；也可能有兩條AHB總線(xiàn)。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(fǎng)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(xiàn)方案的制定須依據(jù)產(chǎn)品的具體應(yīng)用來(lái)確定。

　�。�4）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。

　�。�5）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A(yíng)HB或APB等總線(xiàn)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。

　�。�6）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BootLoader、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(fǎng)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。

　�。�7）在線(xiàn)調(diào)試方案設(shè)計(jì)

　　目前，比較常用的在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

　�。�8）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(xiàn)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(xiàn)，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(chǎng)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。

　　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)。

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Freescale i.MX6核心板、嵌入式ARM開(kāi)發(fā)板、智能工控機(jī)、毫米波雷達(dá)。研發(fā)制造