淺談嵌入式MCU硬件設(shè)計(jì)

　　(5)中斷處理方案設(shè)計(jì)

　　中斷是MCU一項(xiàng)很重要的功能。通過中斷控制，CPU可以快速響應(yīng)外設(shè)的請(qǐng)求。中斷處理一般包括中斷源的數(shù)量、優(yōu)先級(jí)、是否可屏蔽、是一般中斷還是快速中斷等，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用模塊來進(jìn)行中斷處理。有時(shí)為了提高設(shè)計(jì)效率，IP銷售商也提供標(biāo)準(zhǔn)的基于AHB或APB等總線接口協(xié)議的IP核。如果此類IP核能夠滿足系統(tǒng)對(duì)于中斷處理情況的要求，也可以選用。

　　(6)存儲(chǔ)器管理方案設(shè)計(jì)

　　存儲(chǔ)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(chǔ)器：ROM用于放置Boot Loader、IP Drivers等，SRAM用于提高軟件運(yùn)行速度、存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。由于FLASH的讀寫速度比較慢，為了提高FLASH的讀寫速度，可以采用預(yù)取緩沖器和寫緩沖器來加速指令和數(shù)據(jù)的緩沖。由于各個(gè)存儲(chǔ)器都有自己的地址空間，因此很方便用戶訪問。為了便于系統(tǒng)管理，通常設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)器管理模塊，并在系統(tǒng)控制模塊中設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制寄存器。

　　(7)在線調(diào)試方案設(shè)計(jì)

　　目前，比較常用的在線調(diào)試方式為串行調(diào)試，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC機(jī)的并口、串口、網(wǎng)口或是USB接口，使得在線調(diào)試簡(jiǎn)單方便，成本低廉，如圖2所示。由于被調(diào)試的程序要在目標(biāo)板上運(yùn)行，而且MCU必須正常工作，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的調(diào)試模塊以保證上位機(jī)軟件可以調(diào)用CPU來進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試，并且符合IEEE1149.1的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，此模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖2典型在線調(diào)試系統(tǒng)示意圖

　　圖3調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖

　　(8)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

　　MCU的測(cè)試方案主要包括物理測(cè)試、功能測(cè)試和性能測(cè)試幾部分內(nèi)容。先要根據(jù)時(shí)鐘方案和復(fù)位方案對(duì)MCU進(jìn)行時(shí)鐘測(cè)試，確保時(shí)鐘電路工作正常;再對(duì)CPU進(jìn)行功能測(cè)試，因?yàn)镃PU是MCU的控制核心，只有CPU正確運(yùn)行才能對(duì)其他IP核進(jìn)行測(cè)試;然后再依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書對(duì)MCU外圍的數(shù)字IP核和模擬IP核進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試。

　　5.2系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證

　　為了確保設(shè)計(jì)的正確性，流片之前必須對(duì)MCU進(jìn)行全功能驗(yàn)證。因此需要使用多種IIP和VIP來搭建一個(gè)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證平臺(tái)，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書制定詳細(xì)的驗(yàn)證方案，通過仿真工具，采用定向和隨機(jī)的方式或采用比較流行的OVM、VMM和UVM等驗(yàn)證方法學(xué)、逐個(gè)IP核來驗(yàn)證MCU的全部功能是正確的，重點(diǎn)是系統(tǒng)控制單元、總線仲裁器、功耗管理等為系統(tǒng)功能定制設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)模塊。

　　5.3 FPGA原型驗(yàn)證

　　由于系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)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FPGA原型驗(yàn)證的方式來加速系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的速度，尤其是需要將那些功能比較復(fù)雜、規(guī)模比較大的模塊下載到FPGA中，而且應(yīng)盡可能使用規(guī)模比較大的FPGA，如Virtex-7系列、ArriaV系列等。搭建FPGA驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)，不僅可以使用一塊FPGA，也可以使用多塊FPGA，最好能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的所有模塊全部下載到FPGA中。FPGA原型驗(yàn)證不僅要驗(yàn)證硬件的正確性，還要驗(yàn)證IP核驅(qū)動(dòng)程序的正確性，同時(shí)也可以驗(yàn)證目標(biāo)應(yīng)用程序的正確性。

　　5.4物理設(shè)計(jì)

　　在對(duì)MCU系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證和FPGA原型驗(yàn)證后，需要進(jìn)行物理設(shè)計(jì)：依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書制定合理設(shè)計(jì)約束，從邏輯綜合到自動(dòng)布局布線，再到物理驗(yàn)證、形式驗(yàn)證、靜態(tài)時(shí)序分析和功能驗(yàn)證，完成從RTL到GDSII的轉(zhuǎn)換過程，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至代工廠進(jìn)行加工制造。

　　5.5文檔設(shè)計(jì)

　　文檔是MCU設(shè)計(jì)過程中很重要而且很必要的環(huán)節(jié)，且應(yīng)該在設(shè)計(jì)的不同階段，以模板的形式規(guī)定在此階段所要完成的文檔設(shè)計(jì)，并由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)行詳細(xì)審查，從而確保一旦設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了任何問題，都可以查找相關(guān)的設(shè)計(jì)文件以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)文檔，尤其是設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)需要體現(xiàn)的很完整。

　　6結(jié)束語

　　以上只是簡(jiǎn)要概述了MCU硬件設(shè)計(jì)的主要方面。若要設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的MCU，還需要進(jìn)行大量的、詳細(xì)的工作，尤其是電路的全功能驗(yàn)證和詳盡測(cè)試，并搭建一個(gè)MCU平臺(tái)來進(jìn)行系列產(chǎn)品的開發(fā)，以保證產(chǎn)品可以源源不斷地進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)。