1引言
目前，集成電路的嵌入式技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，各色嵌入式產(chǎn)品也越來(lái)越受歡迎，尤其是以大屏幕多功能的手機、平板電腦等為典型代表，做為其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了決定性作用。因此以CPU為核心MCU的設計也成為了諸多高等院校、各大公司進(jìn)行市場(chǎng)競爭的一個(gè)主流發(fā)展方向。

2 MCU選型技術(shù)
微控制器（MCU）的應用領(lǐng)域非常廣泛，如消費類(lèi)電子市場(chǎng)中的手機、照相機、攝像機、MP3、MP4、平板電腦、筆記本電腦、PC機、各種遙控電動(dòng)玩具等，還有汽車(chē)電子的電子鑰匙、控制系統、導航、倒車(chē)影像、倒車(chē)雷達等，還有各種安全防衛系統、醫療器械、工業(yè)控制、武器裝備、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。因此在設計MCU之前需要進(jìn)行明確的市場(chǎng)定位，從而使目標產(chǎn)品有的放矢，并在高性能、低成本、多功能、輕體積、低功耗、高可靠、散熱好、抗輻照、抗單粒子、適應超高溫和超低溫等方面具有很強的競爭力。MCU硬件設計主要包括兩大部分：CPU選型和外圍IP核的選取。

3 CPU選型
CPU作為MCU的大腦，起到控制核心的作用，基本上決定了MCU的目標應用領(lǐng)域，因此CPU的選型是設計MCU的關(guān)鍵。目前，可以用于集成電路嵌入式設計的CPU主要有CISC架構的80386EX，RISC架構的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發(fā)展的勢頭最為迅猛，占據了嵌入式處理器絕大部分的市場(chǎng)份額，而且還在繼續增長(cháng)。各家公司的每種處理器都有自己的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足不同的應用需求。此外，開(kāi)發(fā)環(huán)境的完備性、總線(xiàn)接口協(xié)議的高效性、技術(shù)支持的專(zhuān)業(yè)性、IP核種類(lèi)的豐富性、設計資源的開(kāi)放性以及設計者的使用習慣等，都會(huì )對CPU的選型產(chǎn)生決定性的影響。

4外圍IP選取
對于應用領(lǐng)域而言，外圍IP核起到了很好的支撐作用，因為如果把MCU比作“人”，則外圍IP核相當于MCU的“眼”“耳”“口”“鼻”等重要器官，所以外圍IP核的選取也同樣至關(guān)重要。IP核的選取包括通用IP核和特定用途IP核兩種。
4.1通用IP選取
目前，通用IP核的種類(lèi)比較繁多，按照總線(xiàn)接口協(xié)議可以分為IBM公司的Core Connect、ARM公司的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）和Silicore Corp公司的Wishbone等；按功能分為接口類(lèi)IP核如DMA、GPIO、UART、USART、Timer、WDT、I2C、I2S、SPI、CAN、存儲器控制器，圖像處理類(lèi)IP核等；存儲器類(lèi)IP核如ROM、RAM、SRAM、FLASH等。根據功能不同可以進(jìn)行不同的選擇，還可以集成幾個(gè)相同功能的IP核，如UARTx4有4個(gè)UART接口，I2Cx2則是有2個(gè)I2C接口等。
4.2特定用途IP選取
特定功能的IP核種類(lèi)也很多，如時(shí)鐘類(lèi)的PLL、片上高精度振蕩器，模數轉換類(lèi)的AD、DA，網(wǎng)絡(luò )類(lèi)的ETHERNETMAC/PHY、Modem，圖像處理類(lèi)的H.264、JPEG，接口類(lèi)的USB2.0/3.0、IDE、SATA等，高速接口類(lèi)的LVDS、RapidIO、SerDes等，還有各種傳感器等，需要根據市場(chǎng)定位來(lái)確定。

5 MCU設計
5.1硬件設計
目前，Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經(jīng)大規模推出各類(lèi)MCU，而且各具特色，因此設計具有自主知識產(chǎn)權的MCU應在系統架構等方面有別于這些大公司，一是避免侵權，二是更有利于市場(chǎng)競爭。同時(shí)應做好產(chǎn)品的規劃：從簡(jiǎn)單到復雜，從單一產(chǎn)品到系列產(chǎn)品，設計平臺不斷維護與更新，設計軟件不斷維護與升級，設計人員的水平不斷提高。主要包括以下幾個(gè)方面：
（1）體系架構分析、設計和驗證
依據設計規格書(shū)中的性能指標和功能指標，首先需要制定設計方案：選取幾款CPU以及所有用到的IP核進(jìn)行系統級設計，從整體上評估MCU的系統架構、CPU的性能指標、IP核的功能特性等方面�；�于幾種選定的目標工藝給出相應的數據分析，確認是否能夠滿(mǎn)足設計目標的要求，從而確定基本的設計方案，然后再根據具體的設計結果進(jìn)行相應的優(yōu)化。
（2）時(shí)鐘和復位方案設計
時(shí)鐘和復位對整個(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)鐘方案和復位方案，需要給不同的外設提供不同的時(shí)鐘：USB單獨時(shí)鐘、CPU等高速外設一個(gè)時(shí)鐘、UART等低速外設一個(gè)時(shí)鐘，如圖1示。

圖1時(shí)鐘方案示意圖
（3）總線(xiàn)方案設計
采用何種總線(xiàn)、何種組合方式、總線(xiàn)的數量等關(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，再通過(guò)AHB到APB總線(xiàn)橋來(lái)訪(fǎng)問(wèn)低速外設。有時(shí)為了提高外設的訪(fǎng)問(wèn)速度，一個(gè)MCU內部可能有兩條APB總線(xiàn)；也可能有兩條AHB總線(xiàn)。指令和數據分離，一條用來(lái)數據傳輸或圖像處理，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，從而大幅度提高M(jìn)CU系統性能。因此，總線(xiàn)方案的制定須依據產(chǎn)品的具體應用來(lái)確定。
（4）功耗管理方案設計
低功耗是MCU的突出特點(diǎn)之一，因為MCU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：正常運行模式、睡眠模式、深度睡眠模式、掉電模式等，并嚴格規定各種模式下運行和關(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）中斷處理方案設計
中斷是MCU一項很重要的功能。通過(guò)中斷控制，CPU可以快速響應外設的請求。中斷處理一般包括中斷源的數量、優(yōu)先級、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設計一個(gè)專(zhuān)用模塊來(lái)進(jìn)行中斷處理。有時(shí)為了提高設計效率，IP銷(xiāo)售商也提供標準的基于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)足系統對于中斷處理情況的要求，也可以選用。

（6）存儲器管理方案設計
存儲器是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三種存儲器：ROM用于放置Boot Loader、IP Drivers等，SRAM用于提高軟件運行速度、存放臨時(shí)數據，FLASH用于存放應用程序和數據。由于FLASH的讀寫(xiě)速度比較慢，為了提高FLASH的讀寫(xiě)速度，可以采用預取緩沖器和寫(xiě)緩沖器來(lái)加速指令和數據的緩沖。由于各個(gè)存儲器都有自己的地址空間，因此很方便用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。為了便于系統管理，通常設計一個(gè)存儲器管理模塊，并在系統控制模塊中設計對應的控制寄存器。
（7）在線(xiàn)調試方案設計
目前，比較常用的在線(xiàn)調試方式為串行調試，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC機的并口、串口、網(wǎng)口或是USB接口，使得在線(xiàn)調試簡(jiǎn)單方便，成本低廉，如圖2所示。由于被調試的程序要在目標板上運行，而且MCU必須正常工作，因此需要設計一個(gè)專(zhuān)用的調試模塊以保證上位機軟件可以調用CPU來(lái)進(jìn)行軟硬件的在線(xiàn)調試，并且符合IEEE1149.1的協(xié)議標準，此模塊的基本結構如圖3所示。

圖2典型在線(xiàn)調試系統示意圖

圖3調試結構示意圖
（8）測試方案設計
MCU的測試方案主要包括物理測試、功能測試和性能測試幾部分內容。先要根據時(shí)鐘方案和復位方案對MCU進(jìn)行時(shí)鐘測試，確保時(shí)鐘電路工作正常；再對CPU進(jìn)行功能測試，因為CPU是MCU的控制核心，只有CPU正確運行才能對其他IP核進(jìn)行測試；然后再依據設計規格書(shū)對MCU外圍的數字IP核和模擬IP核進(jìn)行功能測試和性能測試。
5.2系統級驗證
為了確保設計的正確性，流片之前必須對MCU進(jìn)行全功能驗證。因此需要使用多種IIP和VIP來(lái)搭建一個(gè)系統級驗證平臺，依據設計規格書(shū)制定詳細的驗證方案，通過(guò)仿真工具，采用定向和隨機的方式或采用比較流行的OVM、VMM和UVM等驗證方法學(xué)、逐個(gè)IP核來(lái)驗證MCU的全部功能是正確的，重點(diǎn)是系統控制單元、總線(xiàn)仲裁器、功耗管理等為系統功能定制設計的非標準模塊。
5.3 FPGA原型驗證
由于系統級驗證使用的是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原型驗證的方式來(lái)加速系統級驗證的速度，尤其是需要將那些功能比較復雜、規模比較大的模塊下載到FPGA中，而且應盡可能使用規模比較大的FPGA，如Virtex－7系列、ArriaV系列等。搭建FPGA驗證平臺時(shí)，不僅可以使用一塊FPGA，也可以使用多塊FPGA，最好能夠將設計的所有模塊全部下載到FPGA中。FPGA原型驗證不僅要驗證硬件的正確性，還要驗證IP核驅動(dòng)程序的正確性，同時(shí)也可以驗證目標應用程序的正確性。
5.4物理設計
在對MCU系統級驗證和FPGA原型驗證后，需要進(jìn)行物理設計：依據設計規格書(shū)制定合理設計約束，從邏輯綜合到自動(dòng)布局布線(xiàn)，再到物理驗證、形式驗證、靜態(tài)時(shí)序分析和功能驗證，完成從RTL到GDSII的轉換過(guò)程，最后將數據發(fā)送至代工廠(chǎng)進(jìn)行加工制造。
5.5文檔設計
文檔是MCU設計過(guò)程中很重要而且很必要的環(huán)節，且應該在設計的不同階段，以模板的形式規定在此階段所要完成的文檔設計，并由項目負責人進(jìn)行詳細審查，從而確保一旦設計中出現了任何問(wèn)題，都可以查找相關(guān)的設計文件以及對應的設計文檔，尤其是設計的細節需要體現的很完整。

6結束語(yǔ)
以上只是簡(jiǎn)要概述了MCU硬件設計的主要方面。若要設計一個(gè)性?xún)r(jià)比高、競爭力強的MCU，還需要進(jìn)行大量的、詳細的工作，尤其是電路的全功能驗證和詳盡測試，并搭建一個(gè)MCU平臺來(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)。