MCU设计
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。
（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。
（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。
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。 |
发表于 2017-7-13 10:28:09