MCU 架构介绍


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.


微控制器(MCU)的基本架构


微控制器产品架构由早期以累积器为基础的CPU，演进至现今含精简指令(RISC)或同时含RISC、DSP如Motorola的68356,也有如DEC的SAIIC、与Hitachi的SH-DSP系列等之32位嵌入式微控制器 ，每一系列产品又因应不同的应用与接口需求 ，衍生出不同规格的产品 。微控制器产品以特性做为区分的标准与市场统计的依据 ，区分为4位 、8位 、以及16/32位等三大类 。各厂商依其不同功能组合 ，发展出系列性的微控制器产品 ，如NEC供应PD75X的4位系列 ，Toshiba供应47CXX的4位系列 、HOLTEK供应HT48CXX的8位系列 、及Intel之MCS-96的16位系列等。

以下就微控器的基本架构做介绍,如下先介绍MCU架构方块图。


MCU架构方块图



程序内存

程序内存(Program ROM)在微控制器中是只读而不可写入之记忆单元，此内存主要用来放置使用者所开发之程序，而其性质乃属于不常更动或永不变动之资料，微控制器之动作便是依据储存于此区之程序指令运作。在8位单芯片中常见的程序内存容量有0.5K、IK、2K、4K 及8K，而通常应用在微控制器的程序内存有下列几种方式，见(表一)：


表一


另外关于程序保密部分，不论是加密或保险丝烧断保护 ，都是为了防止程序被未授权之使用者窥看、窃取(如反组译程序 、修改内容 、盗取程序等)。程序保密这个功能选择只在提供OTP、开窗型包装、EEPROM 及 Flash ROM上使用，因为这些IC可借由烧录器来回读取程序代码，在Mask版本则不需要进行程序保密的步骤 。


随机存取内存


随机存取内存(Random Access Memory;RAM)，亦称为读/写内存(Read-Write Memory),常是被用来暂时存放资料、或是程序执行存放资料的地方，用途相当广泛。以HOLTEK 8位微控制器为例,其容量有64、96、160及224个Byte选择。

累积器


累积器(Accumulator)，是MCU的运作中枢 ，80%的指令都与累积器有关 ;资料可以被存放在累积器中，直到总线或其它单元准备接受它、或直到程序需要它为止 。


缓存器

缓存器(Register)是MCU内部用来暂时存放资料的地方，每个缓存器的功能各不相同，但却有一共同的特性，就是可以直接读/写，因其位于MCU的内部，故减少了一些不必要的等待及寻址时间,另外有些MCU的I/O Port,也以缓存器型态来直接存取控制。

堆栈及堆栈指针

堆栈(Stack)及堆栈指针(Stack Pointer)，堆栈就和盘子一样，一个一个由下往上堆，而取出时则由上一个一个往下拿，不能由中间抽出，因此又称为后进先出队列(Last-In-First-Out Queues)」。功能如下;

一. 暂时存放PC(Program Count)的值，适用于"子程序呼叫”，或中断发生时将PC的值暂时储存起来;

二. 可视为缓存器使用，以Push,Pop来完成;

三. 有些MCU其Stack Level数是固定的(如HOLTEK μC系列)，有些则可自定。

运算逻辑单元


运算逻辑单元(Algorithm Logic Unit;ALU)，其功能在于执行算术指令及逻辑判断，除了产生结果之外，也产生相关的Flag(Zero、Carry、Borrow、Status)，每一个MCU都不完全一样，尤其是Carry Flag一定要查看指令解说表。

输入/输出(I/O Port)

在单芯片微电脑应用系统中，I/O的扩充不是目的，而是为了提供外部设备一个输入/输出的信道，做为外界与MCU间的沟通管道。例如接键盘、显示器、驱动开关控制或测量等;在I/O扩充时必须考虑与之相连接的外围设备硬件电路特性，如:电位匹配、干扰抑制、驱动能力(如Source,Sink能力)等。

微控制器在I/O埠方面备有多种电路形式，其中有多端口可以经由软件以位单位来设定输出/入方向。各埠附加大电流、高耐压的缓冲器，以直接驱动LED与高功率晶体管，以及做模拟讯号的输入之用。

定时器、定时器

定时器(Time Counter)、定时器(Timer)，由外加振荡晶体，经除频电路来提供MCU数种不同的时基(Time Base)。常应用于:

一. 时钟之时基(如1sec、500ms、62.5ms、15.625ms等);

二. PWM(Pulse Width Modulation)之Time Base;

三. Key Scan;

四. LED Scan;

五. Frequency output;

六. Pulse Reading;

七. APO (Auto Power OFF)等。

计数器

计数器(Event Counter)专用于累计外部的事件个数，可能为Pulse或其它资料，也可用以产生正确的时间延迟。常应用于:

一、另一种Time Base，外加固定频率;

二、计数器;

三、可规划成另一种立即中断输入;

四、计速器(Speed Meter)、转速表(Tachometer)。

中断

中断(Interrupt)用来处理立即事件、或列为优先处理之事件，负责时间计数器超时中断、及外部事件产生中断请求等工作。大部分微控制器的中断处理系统是多层的，内设有中断优先级电路，以决定先后顺序。常应用于:

一、MCU呈被动Standby状态(Halt-Stop)，由外加信号来Wakeup;

二、需要立即处理(传感器、开关、警报器、电源故障预警器);

三、需要一个固定间隔来处理(Display ,Key Scan ,Read-Time Clock);

微控制器上的外围资源

看了这么多微控制器的的基本架构后，让我们继续来了解微控制器还可以加挂那些外围资源，以扩充、延伸其功能。


串行输出(Serial I/O)

微控制器内含Serial I/O是为了提供对外部外围Device的通讯管道，各家种类不同，常见的有以下几种:

◆UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter):Intel,Atmel;

◆USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver

Transmitter ):Siemens;

◆SPI(Serial Peripheral Interface):Motorola;

◆SCI(Sertal Communications Interface):这是UART的加强版;

◆I2C bus(lnter Integrated Circuit bus):Philips;

◆Microwire/Plus:National Semiconductor;

液晶驱动装置(LCD Driver)

在显示接口上，LCD(Liquid Crystal Display)是常运用的显示装置，例如在一些多功能的电话、数字温度计、呼叫器、大哥大、掌上型游戏机以上皆可以发现它的踪迹。因此内含LCD驱动线路的微控制器运用相当广泛，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;日系的微控制器厂商提供多样内含LCD驱动装置的微控制器可供选用,另外HOLTEK HT49XX 系列 也提供LCD驱动装置的微控制器。

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，常应用于高级的家电产品上，如:碟影机、DSP均衡器。要求炫丽输出效果的产品，在微控制器的选择上VFT(Vacuum Fluorescent Tube)Driver是重要的资源之一。

OSD

对于电视及监视器人性化接口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将屏幕信息送出，其显示颜色至多可达八种。各微控制器指令执行速率会造成OSD的显示行数及字段的不同，显示行数由二行至数十行，字段则由15~26个字符或更多，通常执行速率较快者可显示较多的行数、字段，速率较慢者在显示上会有直接的受限。

模拟转换数字接口(ADC)

由于微控制器诸多应用上，需要侦测外部环境状况，做为处理数据上的参考，如在TV应用方面其调谐器(Tuner)之自动频率控制(Auto Frequency Control)讯号，即为电压讯号，其它如温度之侦测也多是转换为电压讯号，所以模拟/数字转换(Analog to Digital Converter)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，所以各厂家提供模拟/数字之转换便成为一般之标准规格(如HOLTEK HT46XX系列)，虽然如此，对于模拟/数字之分辨率各家差异很大，由3位~10位皆有，视各不同需求而异。虽然提供的转换信道有很多，通常内部仅有一个电路处理，靠选择器切换，对于时间考虑不是特别强调之应用上，不致有太大之影响。


另外还有一种模拟/数字之转换方式,就是R to F(Resistance to Freguency),一般运用在温度/湿度之侦测,利用电阻/电容式Sensor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。

数字转换模拟接口(DAC)

在控制模拟组件需要模拟讯号，以微控制器而言,就必须内建数字/模拟转换(Digital to Analog Converter)来因应.其内部由数字/模拟转换缓存器及一阶梯电阻构成,数字/模拟的分辨率各为8位.在一个8位/参考电压为5V的微控制器,假设一个数字值60转换成模拟值的计算方式是(60/256x5Volts)=1.171875V

例如应用在锁相回路上，VCO(电压控制振荡器)即可用DAC做控制。另外Voice IC也是利用原先将语音录制成数字资料,然后用DAC 方式将数字资料音频转换还原模拟语音讯号。

脉宽调变(PWM)

其目的也是以数字输出搭配外围回路，达到模拟的效果，其组成有前置配器(Pre-divider)、计数器(Counter)、数据闩锁(Data Latches)、及比较电路

(Compare Circuits)等。PWM(Pulse Width Modulation)分辨率由程控，当然在一般的I/O埠亦可用时间及Duty Cycle计算技巧来达成PWM之功能，但反应速度会受到限制，且以今日各大半导体厂家皆提供其PWM功能之微控制器就便利性而言 (如HOLTEK HT46XX系列)，实在不需再将心思放在PWM之撰写上,以减轻软件的负担。而PWM之功能由6位~14位之分辨率，适合各种不同的需求。

DTMF产生器、接收器

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

看门狗(Watchdog Timer)

微控制器在产品中是不允许当机的，但受到噪声干扰或操作不当时，需有防范措施确保微控制器在当机的情况下能够自动重置，让微控制器能够继续运作.我们可以说看门狗(Watchdog timer)是用来监看微控制器是否为不正常的当机，许多微控制器都已把它列为标准配备。

看门狗定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，意即不管是芯片的时脉振荡接脚的时脉振荡有没有停止，它还是继续计数而不随之中断而停止，即便是芯片进入省电的Halt状态(在Halt状态下，芯片之时脉停止振荡也一定不曾停止Watchdog timer之计时，当计时逾时后将使本芯片自动重置，I/O脚输出保持不变，耗电相当的省)，Watchdog timer要不要致能，在OTP版本必须在程序烧录时决定，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。

双时脉(Dual Clock)

微控制器的供应时脉愈高时 ，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 ，双时脉常是必须考虑的功能 ，一般副时脉是以32.768KHz运作，主要做为计时(Real Time Clock)之用。

所以综合上面所言,微控制器的指令集结构较单纯、容易发展及修改、I/O及中断处理能力强，主要发展工作集中在软件设计上，只要透过发展系统(ICE:In-Circuit Emulator)及万用板即可进行线上仿真工作，进行设计及修改的工作。由于微控制器具备单价低、系统硬件架构简单、应用程序的发展及修改容易、芯片稳定度佳、可靠度高，是故其应用领域极广，几乎是无所不在。故在不同的场合选择不同的配备，充份了解微控制器的内部资源将有助于产品开发且降低成本。相信在未来会陆续增加新的外围资源于微控制器内，应用的范围也愈来愈广，也因目前已经取代传统电路设计观念，进而成为新的设计主流。


作者：陈进成 毕业于海洋大学 电子工程学系

目前服务于盛群半导体 微控制器产品处