MCU-1---MCU最小系統(tǒng)

引言：簡(jiǎn)單的單板多由一個(gè)MCU組成，而復(fù)雜的單板往往由多個(gè)MCU和多個(gè)SOC組成，各個(gè)子系統(tǒng)執(zhí)行自己的任務(wù)，互相之間經(jīng)過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)交流子系統(tǒng)的狀態(tài)，任務(wù)執(zhí)行結(jié)果等等，一起組成更大的系統(tǒng)，本節(jié)簡(jiǎn)述MCU的最小系統(tǒng)。

1.MCU最小系統(tǒng)組成

圖1-1：典型的MCU最小系統(tǒng)

如圖1-1是最常見(jiàn)的MCU最小系統(tǒng)，由MCU、時(shí)鐘、電源三大部分組成，MCU本身內(nèi)置flash和RAM或者SRAM。

圖1-2：外置flash的MCU最小系統(tǒng)

MCU外置flash比較少見(jiàn)，因?yàn)槭褂猛庵胒lash的MCU一般制程較高，例如芯馳的E3600，采用22nm工藝，然而目前22nm目前還沒(méi)有成熟的車規(guī)嵌入式Flash工藝，因此芯馳采用的是Logic工藝，需要XIP外部Flash(注意有的MCU也支持Nand Flash而非一定是Nor Flash，主要看內(nèi)部S/RAM是否支持鏈接運(yùn)行)。但是22nm制程高，可以帶來(lái)更強(qiáng)的計(jì)算能力，芯馳E3600的主頻可以到600MHz。

目前嵌入式車規(guī)工藝最具性價(jià)比的是40nm，也是國(guó)內(nèi)多家車規(guī)MCU芯片公司的共同選擇，目前MCU芯片的主流工藝是110/65/55/40。XIP Flash和eFlash(內(nèi)嵌)在帶寬，功耗，功能安全，可靠性方面均有所不同，XIP Flash容量相對(duì)比較大，但整體性能和可靠性稍遜于eFlash。(傳送門(mén)：Digital series-Storage-1：什么是串行Nor Flash?/Digital series-Storage-2：什么是串行Nor Flash-2)

圖1-3：更高性能的MCU

如圖1-3，部分高性能MCU需要執(zhí)行的程序更大更復(fù)雜，不僅MCU內(nèi)部有flash和RAM，還有額外的接口支持外部flash、DRAM和SRAM，以此釋放MCU的全部性能。此時(shí)圖1-3所示的最小系統(tǒng)已經(jīng)非常接近SOC的系統(tǒng)構(gòu)成。

2.MCU時(shí)鐘管理

一般MCU時(shí)鐘管理系統(tǒng)支持多個(gè)時(shí)鐘源和時(shí)鐘低功耗管理，外部時(shí)鐘源諸如24/20MHz晶體等，也支持通過(guò)引腳從外部輸入相同頻率的有源時(shí)鐘，外部時(shí)鐘源是片上各個(gè)PLL的時(shí)鐘源。此外，部分MCU還接入32.768KHz片上振蕩器，即XTAL32K，支持32.768KHz晶體，用于電池備份域外設(shè)如實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等的時(shí)鐘源。

MCU其內(nèi)部具有RC振蕩器，即內(nèi)置的時(shí)鐘源，例如RC24M，即頻率為24MHz，內(nèi)置時(shí)鐘頻率不可更改，且精度和穩(wěn)定性沒(méi)有外置的好。(傳送門(mén)：Analog series-OSC-1：無(wú)源晶振的基礎(chǔ)/Analog series-OSC-6：詳細(xì)解析如何設(shè)計(jì)無(wú)源晶振電路)

MCU內(nèi)部時(shí)鐘樹(shù)上具有多個(gè)鎖相環(huán)PLL，支持小數(shù)分頻和展頻(可理解為分頻和倍頻)，還支持低功耗管理，支持自動(dòng)時(shí)鐘門(mén)控。

3.MCU內(nèi)存管理

高性能MCU還具有外部存儲(chǔ)器接口，包括串行總線控制器XPI，可以連接片外的各種SPI串行存儲(chǔ)設(shè)備，也可以連接支持串行總線的器件。多功能外部存儲(chǔ)器控制器FEMC，包括DRAM控制器和SRAM控制器，其中DRAM支持SDRAM和支持LPSDR SDRAM，可以到8 位，16位和32位數(shù)據(jù)寬度，SDRAM頻率最高166MHz。SRAM控制器支持連接外部SRAM存儲(chǔ)器或者訪問(wèn)接口兼容SRAM的外部器件，支持異步訪問(wèn)和數(shù)據(jù)地址復(fù)用模式 (ADMUX) 或者非復(fù)用模式 (Non-ADMUX)，數(shù)據(jù)寬度可以支持8位或16位甚至更高數(shù)據(jù)端口。

4.MCU啟動(dòng)管理

簡(jiǎn)單的MCU小系統(tǒng)，如圖1-2所示，S/RAM和flash均在MCU內(nèi)部，它的啟動(dòng)就比較簡(jiǎn)單，片上啟動(dòng)就可以，并且其Bootloader可以獨(dú)立編寫(xiě)也可以和正式程序合并在一起，所以可以理解為其沒(méi)有Bootloader。

高性能MCU內(nèi)部會(huì)獨(dú)立部署一小塊只讀存儲(chǔ)器ROM(在片內(nèi)的一小塊norflash上)，容量很小，例如128KB，稱為BootROM，BootROM固化在SOC內(nèi)部，存放本產(chǎn)品的啟動(dòng)代碼，閃存加載(Flashloader)和部分外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序。

簡(jiǎn)單的單片機(jī)沒(méi)有BootROM，因?yàn)閱纹瑱C(jī)上電立即從0x0000000的地方開(kāi)始讀取代碼執(zhí)行，本身代碼就在Norflash上，CPU直接跳轉(zhuǎn)過(guò)去執(zhí)行，STM32系列就沒(méi)有BootROM。高性能MCU有外置SARM或者DRAM時(shí)，運(yùn)行整個(gè)程序之前就需要有初始化代碼初始化動(dòng)態(tài)內(nèi)存，初始化完成之后，SARM或者DRAM才能開(kāi)始正式運(yùn)行主程序。

BootROM為該芯片上電后執(zhí)行的第一段程序, 它支持如下功能：

1：從串行Nor Flash啟動(dòng)

2：UART/USB啟動(dòng)

3：在系統(tǒng)編程 (ISP)

4：安全啟動(dòng)

5：低功耗喚醒

6：多種ROM API

芯片默認(rèn)是通過(guò)BOOT_MODE[1:0]=[PZ07:PZ06] 引腳選擇三種不同的啟動(dòng)模式，啟動(dòng)配置如表1-1舉例所示：

表1-1：?jiǎn)?dòng)模式配置舉例

5.MCU復(fù)位管理

通常MCU有一個(gè)復(fù)位引腳RESETN，這個(gè)引腳叫全局復(fù)位引腳，可以復(fù)位整個(gè)芯片，還有部分MCU會(huì)單獨(dú)引出另外幾種復(fù)位功能引腳，包括調(diào)試復(fù)位(DEBUG RST)、看門(mén)狗復(fù)位(WDOGx RST)、軟件復(fù)位(SW RST)等等。

如果MCU本身自帶電源管理模塊，則RESETN也稱為電池備份域復(fù)位，可以復(fù)位整個(gè)芯片，包括電池備份域(有的話)，電源管理域和系統(tǒng)電源域。

6.MCU不啟動(dòng)的初步排查

針對(duì)MCU最小系統(tǒng)的三要素(電源、時(shí)鐘、復(fù)位)，無(wú)論是簡(jiǎn)單還是高性能MCU，它們初始無(wú)法啟動(dòng)的排查點(diǎn)如下：

1：檢查各路電源是否都到位以及電源質(zhì)量和上電時(shí)序是否都滿足MCU的要求。

2：檢查MCU的時(shí)鐘是否起振以及晶振輸出波形的質(zhì)量(振蕩幅度，頻偏等等)。

3：檢查與MCU關(guān)聯(lián)的復(fù)位邏輯，主要是給MCU的復(fù)位信號(hào)是否異常讓MCU一直處于復(fù)位狀態(tài)導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。