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浅析嵌入式MCU硬件设计相关要素
wangjimima 发表于 2017/10/16 14:30:44 1125 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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（1） 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
（2） 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信盈达嵌入式物联网智能硬件企鹅要妖气呜呜吧久零就要。
（3） 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。
（4） 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。
（5） 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Boot Loader、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。
（6） 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
（7） 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的控制核心，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、规模比较大的模块下载到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，最好能够将设计的所有模块全部下载到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，最后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。
1、 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。