MCU的架構詳解

　　Microcontroller（微控制器）又可簡稱MCU或μC，也有人稱為單芯片微控制器（Single Chip Microcontroller），將ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一個芯片中，為不同的應用場合做不同組合控制。微控制器在經(jīng)過這幾年不斷地研究，發(fā)展，歷經(jīng)4位，8位，到現(xiàn)在的16位及32位，甚至64位。產品的成熟度，以及投入廠商之多，應用范圍之廣，真可謂之空前。目前在國外大廠因

　　開發(fā)較早，產品線廣，所以技術領先，而本土廠商則以多功能為產品導向取勝。但不可諱言的，本土廠商的價格戰(zhàn)是對外商造成威脅的關鍵因素。 由于制程的改進，8位MCU與4位MCU價差相去無幾，8位已漸成為市場主流；針對4位MCU，大部份供貨商采接單生產，目前4位MCU大部份應用在計算器、車表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD Player、LCD驅動控制器、LCD Game、兒童玩具、磅秤、充電器、胎壓計、溫濕度計、遙控器及傻瓜相機等；8位MCU大部份應用在電表、馬達控制器、電動玩具機、變頻式冷氣機、呼叫器、傳真機、來電辨識器（Caller ID）、電話錄音機、CRT Display、鍵盤及USB等；16位MCU大部份應用在行動電話、數(shù)字相機及攝錄放影機等；32位MCU大部份應用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、 Router、工作站、ISDN電話、激光打印機與彩色傳真機；64位MCU大部份應用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy）及高級終端機等。

　　而在MCU開發(fā)方面，以架構而言，可分為兩大主流;RISC（如HOLTEK HT48XXX系列）與CISC（如華邦W78系列）。 RISC （Reduced InstrucTIon Set Computer） 代表MCU的所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單的指令代表 MCU 的線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。HOLTEK的HT46XX（A/D MCU系列） HT47XX（R to F MCU系列） HT48XX（一般I/O MCU系列） HT49XX（LCD MCU系列） 便是采用 RISC 結構來設計。不管是 RISC 或是 CISC（Complex InstrucTIon Set Computer），設計MCU的目的便是為人類服務的，對于 RISC 來說，因為指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由『編譯程序』（compiler） 來執(zhí)行，而 CISC MCU因為硬件所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，compiler 的工作因而減少許多。

　　以一個數(shù)值運算程序來說，使用 CISC 指令集的MCU運算對于一個積分表達式可能只需要十個機器指令，而 RISC MCU在執(zhí)行相同的程序時，卻因為CPU 本身不提供浮點數(shù)乘法的指令，所以可能需要執(zhí)行上百個機器指令 （但每一個指令可能只需要 CISC 指令十分之一的時間），而由程序語言轉換成機器指令的動作是由程序語言的 Compiler 來執(zhí)行，所以在 RISC MCU的Compiler 便會較復雜 。因為同樣一個高級語言 A=B*C 的運算，在 RISC MCU轉換為機器指令可能有許多種組合，而每一種組合的『時間/空間』組合都不盡相同。 所以 RISC 與 CISC 的取舍之間，似乎也是MCU硬件架構與軟件（Compiler） 的平衡之爭，應該沒有絕對優(yōu)勢的一方，只能說因應不同的需求而有不同的產品，例如工作單純的打印機核心 MCU，便適合使用效能穩(wěn)定，但單位指令效率較佳的 RISC MCU。

　　MCU的基本構架：

　　以架構而言，MCU可分為兩大主流∶RISC與CISC。RISC （Reduced InstrucTIon Set Computer）代表MCU的所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單指令代表MCU的線路可以盡量做到最佳化，提高執(zhí)行速率可使指令所需的時間減到最短。HOLTEK公司的HT46XX、HT47XX、HT48XX、HT49XX便是采用 RISC結構來設計。

　　不管是RISC或是CISC（Complex InstrucTIon Set Computer），設計MCU的目的都是為人類服務的，對於RISC來說，因為指令集的精簡，所以許多工作都必須組合簡單的指令，而針對較復雜組合的工作便需要由“編譯程序 （compiler）”來執(zhí)行，而CISC MCU因為硬體所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，編譯程序的工作因而減少許多。

　　一般來說，MCU基本架構包括有程式記憶體（Program ROM）、累積器（Accumulator）、寄存器（Register）、堆疊（Stack）及堆疊指標（Stack Pointer）、I/O口、定時/定時/計數(shù)器、中斷（Interrupt）。MCU還可以加掛一些周邊資源，以擴充和延伸MCU的功能，這也正是系統(tǒng)設計工程師實現(xiàn)“產品差異化”的關鍵。這些周邊資源包括：

　　1、串行輸出（Serial I/O）

　　MCU內含Serial I/O是為了提供對外部周邊設備的通訊管道，各家種類不同，常見的有以下幾種∶

　　（1） UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）∶英代爾（Intel）、愛特梅爾（Atmel）。

　　（2） USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ）∶英飛 科技股份公司（Infineon）。

　?。?） 串列外設介面（SPI）∶飛思卡爾半導體公司（Freescale Semiconductor）。

　?。?） SCI（Sertal Communications Interface）∶這是UART的加強版。

　?。?） I2C匯流排∶恩智浦半導體（NXP Semiconductor）。

　?。?） Microwire/Plus∶美國國家半導體公司（National Semiconductor）。

　　2、液晶驅動裝置（LCD Driver）

　　在顯示介面上，LCD是常用的顯示裝置，例如在一些多功能電話、數(shù)位溫度計、掌上游戲機上皆可以發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。因此內含LCD驅動線路的MCU運用相當廣泛，有兩種驅動方式可供選用∶Segment和Dot Matrix，例如之前流行的寵物蛋是使用Dot Matrix的LCD顯示器；日系MCU廠商提供多樣內含LCD驅動裝置的MCU可供選用，另外HOLTEK HT49XX系列也提供LCD驅動裝置的MCU。

　　3、螢光管驅動裝置（VFT Driver）

　　LCD顯示器在無光源或無背光的環(huán)境下，我們即無法讀取顯示器之內容，而VFT顯示器可提供高亮度、且色彩多變化的視覺效果，常應用於高級的家電產品上，如碟影機、DSP量化器。要求炫麗輸出效果的產品，在MCU的選擇上VFT Driver是重要的資源之一。

　　OSD對於電視及監(jiān)視器人性化介面是不可缺少的功能之一， OSD（On Screen Display）部分顯示回路為接收水平同步信號（H-Sync）及垂直同步信號 （V-Sync），再將信號透過RGB及Blanking將螢幕資訊送出，其顯示顏色至多可達8種。各MCU指令執(zhí)行速率會造成OSD的顯示行數(shù)及欄位的不同，顯示行數(shù)由二行至數(shù)十行，欄位則由15~26個字元或更多，通常執(zhí)行速率較快者可顯示較多的行數(shù)、欄位，速率較慢者在顯示上會有直接的受限。

　　4、模數(shù)介面（ADC）

　　由於MCU諸多應用上，需要偵測外部環(huán)境狀況，作為處理資料上的參考，如在TV應用方面其調諧器（Tuner）之自動頻率控制（AFC）訊號，即為電壓訊號，其他如溫度之偵測也多是轉換為電壓訊號，所以ADC的應用在工業(yè)及消費電子上都很廣泛。

　　模擬之場合是如此頻繁，所以各廠家提供AD之轉換便成為一般之標準規(guī)格（如HOLTEK HT46XX系列），雖然如此，對於類比/數(shù)位之解析度各家差異很大，由3~10位皆有，視各不同需求而異。雖然提供的轉換通道有很多，通常內部僅有一個電路處理，靠選擇器切換，對於時間考慮不是特別強調之應用上，不致有太大之影響。

　　另外還有一種AD轉換方式，就是R-F（Resistance to Freguency），一般運用在溫度/濕度之偵測，利用電阻/電容式感測器的變化特性，轉換成頻率值，以此頻率值來計算溫度/濕度的相對性，此類的IC如HOLTEK HT47XX系列。

　　5、數(shù)模轉換介面（DAC）

　　在控制類比元件，必須內建DAC來應對。MCU內部由DA轉換暫存器及一階電阻構成，D/A的解析度各為8位元。在一個8位元/參考電壓為5V的MCU，假設一個數(shù)位值60轉換成類比值的計算方式是（60/256x5V）=1.171875V，例如應用在鎖相回路上，VCO（電壓控制振蕩器）即可用DAC進行控制。

　　另外，Voice IC也是利用原先將語音錄制成數(shù)位資料，然後用DAC方式將數(shù)位資料音頻轉換還原類比語音訊號。脈寬調變（PWM）其目的也是以數(shù)位輸出搭配周邊回路，達到類比的效果，其組成有前置配器（Pre-divider）、計數(shù)器（Counter）、資料閂鎖（Data Latches）、及比較電路（Compare Circuits）等。

　　6、DTMF產生器、接收器

　　電話由原來的Pulse演進為現(xiàn)在的Tone解碼方式，不但提高了解碼的速度，也增加了可靠性與抗雜訊能力，DTMF（Dual Tone Multiple Frequency）顧名思義就是混合兩種頻率的音頻訊號，所以解碼不易出差錯。應用在電話產品的MCU時，DTMF這個資源常是選擇的重要規(guī)格。

　　7、看門狗（Watchdog Timer）

　　MCU在產品中是不允許停機的，但受到雜訊干擾或操作不當時，需有防范措施確保MCU在停機的情況下能夠自動重置，讓 MCU能夠繼續(xù)運作?？梢哉f看門狗是用來監(jiān)看MCU是否為不正常停機，許多MCU都已把它列為標準配備。

　　看門狗計時器實際上就像一個自跑式的RC振蕩器，它完全不必外加零件，意即不管是晶片 的頻率振蕩接腳的頻率振蕩有沒有停止，它還是繼續(xù)計數(shù)而不隨之中斷而停止，即便是晶片 進入省電的Halt狀態(tài)（在Halt狀態(tài)下，晶片之頻率停止振蕩也一定不曾停止Watchdog timer之計時，當計時逾時後將使本晶片自動重置，I/O腳輸出保持不變，耗電相當?shù)氖。?，Watchdog timer要不要使能，在OTP版本必須在程式燒錄時決定，以便決定要不要燒斷其保險絲，在Mask版本由使用者選擇是否使用這個功能。

　　8、雙頻率（Dual Clock）

　　MCU的供應頻率愈高時，相對地耗電量也愈大。因此在一些使用電池供應的產品選用時，雙頻率常是必須考慮的功能，一般副頻率是以32.768kHz運作，主要作為計時（RealTime Clock）之用。