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MCU的架构详解

2019-07-14 14:08发布

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MCU的架构详解


Microcontroller（微控制器）简称MCU，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 {MOD}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与CISC（如华邦W78系列）。RISC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。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。


  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）、、（2） USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter ）、、（3） 串列外设介面（SPI）、（4） SCI（Sertal Communications Interface）∶这是UART的加强版。（5） I2C汇流排、（6） Microwire/Plus2、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 {MOD}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 {MOD}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、，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、。
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。
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