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MCU的架构详解

作者:时间:2017-10-11来源:网络

  Microcontroller(微控制器)又可简称MCU或μC,也有人称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller),将ROM、RAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中,为不同的应用场合做不同组合控制。微控制器在经过这几年不断地研究,发展,历经4位,8位,到现在的16位及32位,甚至64位。产品的成熟度,以及投入厂商之多,应用范围之广,真可谓之空前。目前在国外大厂因

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/365288.htm

  开发较早,产品线广,所以技术领先,而本土厂商则以多功能为产品导向取胜。但不可讳言的,本土厂商的价格战是对外商造成威胁的关键因素。 由于制程的改进,8位MCU与4位MCU价差相去无几,8位已渐成为市场主流;针对4位MCU,大部份供货商采接单生产,目前4位MCU大部份应用在计算器、车表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD Player、LCD驱动控制器、LCD Game、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等;8位MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器(Caller ID)、电话录音机、CRT Display、键盘及USB等;16位MCU大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等;32位MCU大部份应用在Modem、GPS、PDA、HPC、STB、Hub、Bridge、 Router、工作站、ISDN电话、激光打印机与彩色传真机;64位MCU大部份应用在高阶工作站、多媒体互动系统、高级电视游乐器(如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高级终端机等。

  

  而在MCU开发方面,以架构而言,可分为两大主流;RISC(如HOLTEK HT48XXX系列)与CISC(如华邦W78系列)。 RISC (Reduced InstrucTIon Set Computer) 代表MCU的所有指令都是利用一些简单的指令组成的,简单的指令代表 MCU 的线路可以尽量做到最佳化,而提高执行速率,相对的使得一个指令所需的时间减到最短。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 结构来设计。不管是 RISC 或是 CISC(Complex InstrucTIon Set Computer),设计MCU的目的便是为人类服务的,对于 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 CISC MCU因为硬件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,compiler 的工作因而减少许多。

  

  以一个数值运算程序来说,使用 CISC 指令集的MCU运算对于一个积分表达式可能只需要十个机器指令,而 RISC MCU在执行相同的程序时,却因为CPU 本身不提供浮点数乘法的指令,所以可能需要执行上百个机器指令 (但每一个指令可能只需要 CISC 指令十分之一的时间),而由程序语言转换成机器指令的动作是由程序语言的 Compiler 来执行,所以在 RISC MCU的Compiler 便会较复杂 。因为同样一个高级语言 A=B*C 的运算,在 RISC MCU转换为机器指令可能有许多种组合,而每一种组合的『时间/空间』组合都不尽相同。 所以 RISC 与 CISC 的取舍之间,似乎也是MCU硬件架构与软件(Compiler) 的平衡之争,应该没有绝对优势的一方,只能说因应不同的需求而有不同的产品,例如工作单纯的打印机核心 MCU,便适合使用效能稳定,但单位指令效率较佳的 RISC MCU。

  MCU的基本构架:

  以架构而言,MCU可分为两大主流∶RISC与CISC。RISC (Reduced InstrucTIon Set Computer)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(Complex InstrucTIon Set Computer),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CISC MCU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(Program ROM)、累积器(Accumulator)、寄存器(Register)、堆叠(Stack)及堆叠指标(Stack Pointer)、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(Serial I/O)

  MCU内含Serial I/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(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)∶英代尔(Intel)、爱特梅尔(Atmel)。

  (2) USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter )∶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(Freescale Semiconductor)。

  (4) SCI(Sertal Communications Interface)∶这是UART的加强版。

  (5) I2C汇流排∶恩智浦半导体(NXP Semiconductor)。

  (6) Microwire/Plus∶美国国家半导体公司(National Semiconductor)。

  2、液晶驱动装置(LCD Driver)

  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Dot Matrix,例如之前流行的宠物蛋是使用Dot Matrix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HOLTEK HT49XX系列也提供LCD驱动装置的MCU。

  3、萤光管驱动装置(VFT Driver)

  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VFT Driver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(On Screen Display)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HOLTEK HT46XX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(Resistance to Freguency),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HOLTEK HT47XX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内部由DA转换暂存器及一阶电阻构成,D/A的解析度各为8位元。在一个8位元/参考电压为5V的MCU,假设一个数位值60转换成类比值的计算方式是(60/256x5V)=1.171875V,例如应用在锁相回路上,VCO(电压控制振荡器)即可用DAC进行控制。

  另外,Voice IC也是利用原先将语音录制成数位资料,然後用DAC方式将数位资料音频转换还原类比语音讯号。脉宽调变(PWM)其目的也是以数位输出搭配周边回路,达到类比的效果,其组成有前置配器(Pre-divider)、计数器(Counter)、资料闩锁(Data Latches)、及比较电路(Compare Circuits)等。

  6、DTMF产生器、接收器

  电话由原来的Pulse演进为现在的Tone解码方式,不但提高了解码的速度,也增加了可靠性与抗杂讯能力,DTMF(Dual Tone Multiple Frequency)顾名思义就是混合两种频率的音频讯号,所以解码不易出差错。应用在电话产品的MCU时,DTMF这个资源常是选择的重要规格。

  7、看门狗(Watchdog Timer)

  MCU在产品中是不允许停机的,但受到杂讯干扰或操作不当时,需有防范措施确保MCU在停机的情况下能够自动重置,让 MCU能够继续运作。可以说看门狗是用来监看MCU是否为不正常停机,许多MCU都已把它列为标准配备。

  看门狗计时器实际上就像一个自跑式的RC振荡器,它完全不必外加零件,意即不管是晶片 的频率振荡接脚的频率振荡有没有停止,它还是继续计数而不随之中断而停止,即便是晶片 进入省电的Halt状态(在Halt状态下,晶片之频率停止振荡也一定不曾停止Watchdog timer之计时,当计时逾时後将使本晶片自动重置,I/O脚输出保持不变,耗电相当的省),Watchdog timer要不要使能,在OTP版本必须在程式烧录时决定,以便决定要不要烧断其保险丝,在Mask版本由使用者选择是否使用这个功能。

  8、双频率(Dual Clock)

  MCU的供应频率愈高时,相对地耗电量也愈大。因此在一些使用电池供应的产品选用时,双频率常是必须考虑的功能,一般副频率是以32.768kHz运作,主要作为计时(RealTime Clock)之用。

  



关键词: mcu 单片机 rom risc

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