MCU选择和应用技巧

MCU选择和应用技巧本刊编辑∶RobinZhang在现代嵌入式开发领域，通过了解客户需求和电子产品趋势，搜集市面上大量的不同型号的MCU资料，结合市场上刚出现的低成本高性能MCU新产品，是成功进行MCU选型的基础。一般来说，嵌入式系统开发人员在选择MCU时，通常遵循四项主要标准∶功能、可用性、成本和熟悉程度。本文通过资料汇编，介绍一些常用的MCU选择和应用技巧。微控制器（Microcontroller;MCU）是一种无所不在的嵌入式控制晶片，玩具、家电、医疗、汽车等领域都有其存在，负责各种感测、监控工作，例如我们常见的电饭煲、电磁炉、咖啡壶等内部均由MCU负责感测水温，并接受使用者的指示是否该加温、沸腾，同样的冷气机的温控也是用MCU来实现。此外，如桌上电脑所用的键盘、滑鼠等也各有一颗MCU，负责将敲打的键码、指标的X/Y轴位移偏量等资讯回传给电脑CPU。对於选择MCU进行设计的系统设计师来说，可获得的大量的不同型号MCU会让选型工作变得复杂，如SiliconLabs工作电压低至0.9V的8位元MCU，德州仪器针对低功耗应用的多款16位元MSP430，飞思卡尔和英飞针对汽车应用的MCU方案，Atmel的AVR系列和Microchip的PIC系列一直在推陈出新……虽然新的32位ARM核Cortex-m3处理器已经发布许久，古老的8位8051核还是在不同MCU中占领主流地位……面对缤纷多彩的MCU世界，正确把握MCU发展趋势，熟悉MCU架构，甚至於借助选择工具进行分析比较就显得极其必要。MCU市场的价值一、分析趋势正是由於应用广泛，MCU市场才没有像其他处理晶片（如CPU、GPU）那样形成垄断，MCU晶片业者只要能贴近某一产业或深耕某一应用的控制需求，就能在市场上争得一席之地。就应用趋势看，MCU市场目前可以说是百花齐放，处处呈现春色和希望。1、32位MCU正在成为主力据国际半导体贸易统计显示，8/16位元晶片仍然占据著MCU市场56%的销量和40%的销售额，最流行的8位Intel架构的8051晶片平均每年销售33亿片，大约是32位PCCPU销量的30倍，甚至最早於1971年面世的低端4位元晶片的销量也只比它们的最高销量低15%，嵌入式系统开发者仍然在使用这些晶片，因为它们具有极低的价格、微功耗，以及小的体积，可以为几乎任何应用增加智慧功能。虽然大量的嵌入式应用过去和今後一段时间还将集中在8/16位上，但是考虑到市场竞争的加剧，推出高性能的升级产品已经是产品设计初期必须考虑的问题之一，消费类电子、汽车电子和工业应用三大行业正在推动32位MCU的广泛采用。Gartner的资料显示，到了2012年，32位MCU（加上32位智慧卡）的整个数量将非常接近8/16位MCU总合，但是销售额将超过8/16位MCU。例如，Microchip2008年发表了PIC32就是希望在稳定其用户在向32位升级时的选择。32位元MCU能够带来更高的性能，而且并不很贵的价格。特别是，32位MCU未来还会向多核方向发展。我们知道多核应用目前主要集中在资料中心伺服器中，但是伴随密集计算需求的产生，汽车电子、图像处理和视频监控等行业将会出现多核MCU。例如，飞思卡尔MPC563xM系列包括32位元汽车动力总成MCU，用以改善拥有一至四个气缸的小型引擎的效率和性能。MPC563xM器件的MCU核是基於多核PowerArchitecture和DSP引擎技术；另外一个例子是TI达芬奇TMS320DM644X数位媒体处理器是由双核MCU（ARM9+C64XDSP）组成。正确选择MCU是一件系统工作。2、FlashMCU受欢迎采用MCU的大多数设备需要某种机制来存储在断电时仍要被记住的那些设置资料。例如，在更换电池後，用户希望喜爱的电台、预设温度、参数选择和其他永久性资讯能长久保存下来供每次开机时直接取用。为了满足这种用户需求，设计师一般使用串列EEPROM。这些器件又小又便宜，具有很长的历史，设计工程师用起来得心应手。但在今天对成本极其敏感的市场下，即使这样一个廉价的器件也可能突破成本预算。因此许多设计师试图寻求并利用已经包含在MCU晶片中的资源∶程式Flash中剩馀的空间。嵌入式flash不仅在编程和擦除的速度上有优势，并且具有更大的存储空间。因此，以往使用ROM或可紫外线擦除的EPROM来存储程式指令的MCU，现在已经开始转用Flash技术存储代码。选择FlashMCU的主要理由是，如果在程式码中发现错误，Flash资料很容易被擦除和更新。目前，大部分MCU厂商都推出有FlashMCU产品，如NXP的LPC2100系列，NEC的allFlash产品，瑞萨科技的SH7253132位MCU等。3、高集成的多核MCU越来越多MCU的一项重大革命是多核和多线程的采用。在更先进的工艺技术和SOC的时代，在MCU核心周围实现周边的混合信号电路集成是十分方便的。目前还有不少供应商集成了大规模和多种类的记忆体和多功能周边器件。例如，1980年英代尔公司的8051，具备128B的RAM，4kB的ROM，4个双向I/O埠，一个UART和两个16位的计时器。而2007年飞思卡尔推出的mc9s12x，具备32kB的RAM，4kB的EEPROM，512kB的Flash，6个UART，3个SPI介面，8通道计时器，8通道10位元ADC，8通道PWM模组，5个CAN汇流排，2个I2C介面，和1个周期中断计时器和一个x-gate并行处理模组。多核通常在PC、笔记本和伺服器中应用较多，但目前也开始出现在一些针对计算密集的应用中，比如工业设备和汽车应用。首先是flashMCU增多了，因为flash技术的进步，晶片的额外flash需求减少了很多，并且允许更大的存储空间与MCU集成在了一起。数位信号处理器（DSP）也被加入了MCU中，虽然用於控制的DSP内核与用於复杂运算的内核是不同的，两种功能兼备的SOC已经很常见。比如说，一些类DSP的演算法功能被加入MCU核心的指令集，并采用硬体架构支援，从另一方面来看，一些DSP核心也加入了控制功能的指令。目前，供应商可以决定器件是带DSP功能的MCU还是带控制功能的DSP。一些大的MCU晶片公司目前已经宣称他们的应用或系统工程师可以帮助客户实现一切，小的MCU供应商也在做同样的事情，不过一般是与独立设计公司合作提供参考设计方案。4、低功耗是基本要求无论MCU供应商，还是采购应用人员，他们都非常关注功耗。目前许多应用都要求用电池供电，这样要求电池电量必须维持设备的使用时间或是系统寿命。同样，因为目前全球面临高昂的能源价格和全球变暖等问题，任何应用都需要节能。MCU有两种方式的电能消耗∶动态和静态耗电。动态，或者说是工作用电，指的是设备工作过程中消耗电能，这是每一款MCU都需要应对的。静态耗电（或者称为待机或漏）指的是器件在待机或是其他低功耗模式时消耗的电量。这在需要电池应用的领域是非常重要的，特别是在处理器需要经常等待外部指令输入的时候。一款MCU可能针对不同的应用有许多低功耗模式，实现起来也有不同的方法，包括低漏电晶体的采用，关闭MCU闲置部分的电力等。一般来说，器件“睡”的越深，要唤醒它需要的时间就越长。在决定器件低功耗模式需要多低时，唤醒时间是需要考虑的。二、熟悉架构以架构而言，MCU可分为两大主流∶RISC与CISC。RISC（ReducedInstructionSetComputer）代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单指令代表MCU的线路可以尽量做到最佳化，提高执行速率可使指令所需的时间减到最短。HOLTEK公司的HT46XX、HT47XX、HT48XX、HT49XX便是采用RISC结构来设计。不管是RISC或是CISC（ComplexInstructionSetComputer），设计MCU的目的都是为人类服务的，对於RISC来说，因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由“编译程序（compiler）”来执行，而CISCMCU因为硬体所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，编译程序的工作因而减少许多。一般来说，MCU基本架构包括有程式记忆体（ProgramROM）、累积器（Accumulator）、寄存器（Register）、堆叠（Stack）及堆叠指标（StackPointer）、I/O口、定时/定时/计数器、中断（Interrupt）。MCU还可以加挂一些周边资源，以扩充和延伸MCU的功能，这也正是系统设计工程师实现“产品差异化”的关键。这些周边资源包括∶1、串行输出（SerialI/O）MCU内含SerialI/O是为了提供对外部周边设备的通讯管道，各家种类不同，常见的有以下几种∶（1）UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）∶英代尔（Intel）、爱特梅尔（Atmel）。（2）USART（UniversalSynchronous/AsynchronousReceiverTransmitter）∶英飞科技股份公司（Infineon）。（3）串列外设介面（SPI）∶飞思卡尔半导体公司（FreescaleSemiconductor）。（4）SCI（SertalCommunicationsInterface）∶这是UART的加强版。（5）I2C汇流排∶恩智浦半导体（NXPSemiconductor）。（6）Microwire/Plus∶美国国家半导体公司（NationalSemiconductor）。2、液晶驱动装置（LCDDriver）在显示介面上，LCD是常用的显示装置，例如在一些多功能电话、数位温度计、掌上游戏机上皆可以发现它的踪迹。因此内含LCD驱动线路的MCU运用相当广泛，有两种驱动方式可供选用∶Segment和DotMatrix，例如之前流行的宠物蛋是使用DotMatrix的LCD显示器；日系MCU厂商提供多样内含LCD驱动装置的MCU可供选用，另外HOLTEKHT49XX系列也提供LCD驱动装置的MCU。3、萤光管驱动装置（VFTDriver）LCD显示器在无光源或无背光的环境下，我们即无法读取显示器之内容，而VFT显示器可提供高亮度、且色彩多变化的视觉效果，常应用於高级的家电产品上，如碟影机、DSP量化器。要求炫丽输出效果的产品，在MCU的选择上VFTDriver是重要的资源之一。OSD对於电视及监视器人性化介面是不可缺少的功能之一，OSD（OnScreenDisplay）部分显示回路为接收水平同步信号（H-Sync）及垂直同步信号（V-Sync），再将信号透过RGB及Blanking将萤幕资讯送出，其显示颜色至多可达8种。各MCU指令执行速率会造成OSD的显示行数及栏位的不同，显示行数由二行至数十行，栏位则由15~26个字元或更多，通常执行速率较快者可显示较多的行数、栏位，速率较慢者在显示上会有直接的受限。4、模数介面（ADC）由於MCU诸多应用上，需要侦测外部环境状况，作为处理资料上的参考，如在TV应用方面其调谐器（Tuner）之自动频率控制（AFC）讯号，即为电压讯号，其他如温度之侦测也多是转换为电压讯号，所以ADC的应用在工业及消费电子上都很广泛。模拟之场合是如此频繁，所以各厂家提供AD之转换便成为一般之标准规格（如HOLTEKHT46XX系列），虽然如此，对於类比/数位之解析度各家差异很大，由3~10位皆有，视各不同需求而异。虽然提供的转换通道有很多，通常内部仅有一个电路处理，靠选择器切换，对於时间考虑不是特别强调之应用上，不致有太大之影响。另外还有一种AD转换方式，就是R-F（ResistancetoFreguency），一般运用在温度/湿度之侦测，利用电阻/电容式感测器的变化特性，转换成频率值，以此频率值来计算温度/湿度的相对性，此类的IC如HOLTEKHT47XX系列。5、数模转换介面（DAC）在控制类比元件，必须内建DAC来应对。MCU