1、导言
现在，集成电路的嵌入式技能开展越来越快，各色嵌入式产品也越来越受欢迎，特别是以大屏幕多功用的手机、平板电脑等为典型代表，做为其操控中心的高功用、低功耗的微操控器(MCU)起到了决议性效果。因而以CPU为中心MCU的规划也成为了许多高等院校、各大公司进行商场竞争的一个干流开展方向。
2、MCU选型技能
微操控器(MCU)的运用领域十分广泛，如消费类电子商场中的手机、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，还有轿车电子的电子钥匙、操控体系、导航、倒车印象、倒车雷达等，还有各种安全防卫体系、医疗器械、工业操控、武器装备、航空航天等各个领域。因而在规划MCU之前需求进行清晰的商场定位，然后使方针产品有的放矢，并在高功用、低本钱、多功用、轻体积、低功耗、高牢靠、散热好、抗辐照、抗单粒子、习气超高温文超低温等方面具有很强的竞争力。MCU硬件规划首要包含两大部分：CPU选型和外围IP核的选取。
3、CPU选型
CPU作为MCU的大脑，起到操控中心的效果，根本上决议了MCU的方针运用领域，因而CPU的选型是规划MCU的要害。现在，能够用于集成电路嵌入式规划的CPU首要有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，其间以ARM系列嵌入式CPU开展的气势最为迅猛，占有了嵌入式处理器绝大部分的商场份额，并且还在持续增加。各家公司的每种处理器都有自己的特色，能够满意不同的运用需求。此外，开发环境的齐备性、总线接口协议的高效性、技能支持的专业性、IP核品种的丰富性、规划资源的开放性以及规划者的运用习气等，都会对CPU的选型发生决议性的影响。
4、外围IP选取
关于运用领域而言，外围IP核起到了很好的支撑效果，因为假如把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核的选取也相同至关重要。IP核的选取包含通用IP核和特定用处IP核两种。
4.1通用IP选取
现在，通用IP核的品种比较繁复，依照总线接口协议能够分为IBM公司的Core Connect、ARM公司的AMBA(Advanced Microcontroller BusArchitecture)和Silicore Corp公司的Wishbone等;按功用分为接口类IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存储器操控器，图画处理类IP核等;存储器类IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根据功用不同能够进行不同的挑选，还能够集成几个相同功用的IP核，如UARTx4有4个UART接口，I2Cx2则是有2个I2C接口等。
4.2特定用处IP选取
特定功用的IP核品种也许多，如时钟类的PLL、片上高精度振荡器，模数转化类的AD、DA，网络类的ETHERNETMAC/PHY、Modem，图画处理类的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，需求根据商场定位来确认。
5、MCU规划
5.1硬件规划
现在，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司现已大规划推出各类MCU，并且各具特色，因而规划具有自主知识产权的MCU应在体系架构等方面有别于这些大公司，一是防止侵权，二是更有利于商场竞争。一起应做好产品的规划：从简略到杂乱，从单一产品到系列产品，规划渠道不断保护与更新，规划软件不断保护与晋级，规划人员的水平不断进步。首要包含以下几个方面：
(1)体系架构剖析、规划和验证
根据规划规范书中的功用方针和功用方针，首要需求拟定规划计划：选取几款CPU以及一切用到的IP核进行体系级规划，从全体上评价MCU的体系架构、CPU的功用方针、IP核的功用特性等方面。根据几种选定的方针工艺给出相应的数据剖析，确认是否能够满意规划方针的要求，然后确认根本的规划计划，然后再根据具体的规划成果进行相应的优化。
(2)时钟和复位计划规划
时钟和复位对整个电路而言起到了至关重要的效果。假如这两路信号有问题，则电路不能正常作业。因而，需求作出翔实的时钟计划和复位计划，需求给不同的外设供给不同的时钟：USB独自时钟、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时钟计划示意图
(3)总线计划规划
选用何种总线、何种组合方法、总线的数量等关系到MCU功用的发挥。以AMBA总线为例，一般的用法是AHB接高速外设，再经过AHB到APB总线桥来拜访低速外设。有时为了进步外设的拜访速度，一个MCU内部或许有两条APB总线;也或许有两条AHB总线。指令和数据别离，一条用来数据传输或图画处理，另一条用来通用操控。还或许有多层AHB的互连矩阵，便于多个Master能够一起拜访多个不同的高速外设，然后大幅度进步MCU体系功用。因而，总线计划的拟定须根据产品的具体运用来确认。
(4)功耗办理计划规划
低功耗是MCU的杰出特色之一，因为MCU中集成了多种低功耗办理战略：不只在逻辑上选用门控时钟、门级优化的方法，并且还在物理上选用多阈值电压、多电源域、门控电源等方法;一起更在功用方式上选用了多种方式：正常运转方式、睡觉方式、深度睡觉方式、掉电方式等，并严厉规则各种方式下运转和封闭IP核的品种以及各种方式之间的进入和退出流程。这既确保了电路的功用，又确保了电路的功用。
(5)中止处理计划规划
中止是MCU一项很重要的功用。经过中止操控，CPU能够快速呼应外设的恳求。中止处理一般包含中止源的数量、优先级、是否可屏蔽、是一般中止仍是快速中止等，一般需求规划一个专用模块来进行中止处理。有时为了进步规划功率，IP销售商也供给规范的根据AHB或APB等总线接口协议的IP核。假如此类IP核能够满意体系关于中止处理状况的要求，也能够选用。
(6)存储器办理计划规划
存储器是MCU中占面积较大的模块。一个MCU中或许一起含有ROM、SRAM和FLASH三种存储器：ROM用于放置BootLoader、IP Drivers等，SRAM用于进步软件运转速度、寄存暂时数据，FLASH用于寄存运用程序和数据。因为FLASH的读写速度比较慢，为了进步FLASH的读写速度，能够选用预取缓冲器和写缓冲器来加快指令和数据的缓冲。因为各个存储器都有自己的地址空间，因而很便利用户拜访。为了便于体系办理，一般规划一个存储器办理模块，并在体系操控模块中规划对应的操控寄存器。
(7)在线调试计划规划
现在，比较常用的在线调试方法为串行调试，如JTAG、EJTAG、UART等，运用PC机的并口、串口、网口或是USB接口，使得在线调试简略便利，本钱低价，如图2所示。因为被调试的程序要在方针板上运转，并且MCU有必要正常作业，因而需求规划一个专用的调试模块以确保上位机软件能够调用CPU来进行软硬件的在线调试，并且契合IEEE1149.1的协议规范，此模块的根本结构如图3所示。
图2典型在线调试体系示意图
图3调试结构示意图
(8)测验计划规划
MCU的测验计划首要包含物理测验、功用测验和功用测验几部分内容。先要根据时钟计划和复位计划对MCU进行时钟测验，确保时钟电路作业正常;再对CPU进行功用测验，因为CPU是MCU的操控中心，只要CPU正确运转才能对其他IP核进行测验;然后再根据规划规范书对MCU外围的数字IP核和模仿IP核进行功用测验和功用测验。
5.2体系级验证
为了确保规划的正确性，流片之前有必要对MCU进行全功用验证。因而需求运用多种IIP和VIP来建立一个体系级验证渠道，根据规划规范书拟定具体的验证计划，经过仿真东西，选用定向和随机的方法或选用比较盛行的OVM、VMM和UVM等验证方法学、逐一IP核来验证MCU的悉数功用是正确的，重点是体系操控单元、总线裁定器、功耗办理等为体系功用定制规划的非规范模块。
5.3 FPGA原型验证
因为体系级验证运用的是EDA东西进行软件仿真，仿真的速度比较慢，因而能够经过FPGA原型验证的方法来加快体系级验证的速度，特别是需求将那些功用比较杂乱、规划比较大的模块下载到FPGA中，并且应尽或许运用规划比较大的FPGA，如Virtex-7系列、ArriaV系列等。建立FPGA验证渠道时，不只能够运用一块FPGA，也能够运用多块FPGA，最好能够将规划的一切模块悉数下载到FPGA中。FPGA原型验证不只要验证硬件的正确性，还要验证IP核驱动程序的正确性，一起也能够验证方针运用程序的正确性。
5.4物理规划
在对MCU体系级验证和FPGA原型验证后，需求进行物理规划：根据规划规范书拟定合理规划束缚，从逻辑综合到自动布局布线，再到物理验证、方式验证、静态时序剖析和功用验证，完结从RTL到GDSII的转化进程，最终将数据发送至代工厂进行加工制作。
5.5文档规划
文档是MCU规划进程中很重要并且很必要的环节，且应该在规划的不同阶段，以模板的方式规则在此阶段所要完结的文档规划，并由项目负责人进行具体审查，然后确保一旦规划中呈现了任何问题，都能够查找相关的规划文件以及对应的规划文档，特别是规划的细节需求表现的很完好。
5、结束语
以上仅仅扼要概述了MCU硬件规划的首要方面。若要规划一个性价比高、竞争力强的MCU，还需求进行很多的、具体的作业，特别是电路的全功用验证和翔实测验，并建立一个MCU渠道来进行系列产品的开发，以确保产品能够源源不断地进入嵌入式商场。
