【技术】MCU的种类分类及MCU的应用

MCU(MicroControllerUnit)中文名称为多点控制单元，又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。本文瑞纳捷将介绍MCU的种类及其应用。

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。

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。 对于选择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，甚至于借助选择工具进行分析比较就显得极其必要。

MCU的主要分类：

按用途分类：

通用型：将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、 EPROM)等全部提供给用户。

专用型：其硬件及指令是按照某种特定用途而设计，例如录音机机芯控制器、打印机控制器、电机控制器等。

按其基本操作处理的数据位数分类： 根据总线或数据暂存器的宽度，单片机又分为1位、4位、8位、16位、32位甚至64位单片机。 4位MCU大部份应用在计算器、车用仪表、车用防盗装置、呼叫器、无线电话、CD播放器、LCD驱动控制器、LCD游戏机、 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(CallerID)、电话录音机、CRT显示器、键盘及USB等;8位、16位单片 机主要用于一般的控制领域，一般不使用操作系统， 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; 32位用于网络操作、多媒体处理等复杂处理的场合，一般要使用嵌入式操作系统。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。

8位MCU工作频率在16~50MHz之间，强调简单效能、低成本应用，在目前MCU市场总值仍有一定地位，而不少MCU业者也持续为8bit MCU开发频率调节的节能设计，以因应绿色时代的产品开发需求。 16位MCU，则以16位运算、16/24位寻址能力及频率在24~100MHz为主流规格，部分16bit MCU额外提供32位加/减/乘/除的 特殊指令。

由于32bit MCU出现并持续降价及8bit MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16bit MCU市场不断被挤 压，成为出货比例中最低的产品。 32位MCU可说是MCU市场主流，工作频率大多在100~350MHz之间，执行效能更佳，应用类型 也相当多元。

但32位MCU会因为操作数与内存长度的增加，相同功能的程序代码长度较8/16bit MCU增加30~40%，这导致内嵌OTP/FlashROM内存容量不能太小，而芯片对外脚位数量暴增，进一步局限32bit MCU的成本缩减能力。

内嵌程序存储器类型

下面以51单片机为例(MCS-51系列MCU是我国使用最多的单片机)，根据其内部存储器的类型不同可以分为以下几个基本型：

1.无ROM型：8031

2. ROM型：8051

3. EPROM型：8751

4. EEPROM 型：8951

5. 增强型：8032/8052/8752/8952/C8051F

MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。

对于无片内ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型、MASK片内掩模ROM型、片内FLASH型等类型，一些公司还推出带有片内一次性可编程ROM的芯片。MASKROM的MCU价格便宜，但程序在出厂时已经固化，适合程序固定不变的应用场合;FLASH ROM的MCU程序可以反复擦写，灵活性很强，但价格较高，适合对价 格不敏感的应用场合或做开发用途;OTPROM的MCU价格介于前两者之间，同时又拥有一次性可编程能力，适合既要求一定 灵活性，又要求低成本的应用场合，尤其是功能不断翻新、需要迅速量产的电子产品。

由于MCU强调是最大密集度与最小芯片面积，以有限的程序代码达成控制功能，因此当今MCU多半使用内建的MaskROM、 OTP ROM、EEPROM或Flash内存来储存韧体码，MCU内建Flash内存容量从低阶4~64KB到最高阶512KB~2MB不等。

存储器结构 MCU根据其存储器结构可分为哈佛(Harvard)结构和冯?诺依曼(Von Neumann)结构。现在的单片机绝大多数都是基于冯· 诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器(只读存储器或 者闪存)、数据存储器(随机存储器)、一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口，所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

指令结构 MCU根据指令结构又可分为CISC(ComplexInstrucTIon SetComputer，复杂指令集计算机)和RISC(Reduced InstrucTIon Set Comuter，精简指令集计算机微控制器)

MCU的应用技巧：

在MCU应用开发中，代码的使用效率、抗干扰性和可靠性等问题仍困扰著大部份应用工程师。

以下是MCU开发应用中应掌握的基本技巧。

1、MCU的通用测试方法 MCU从生产出来到封装出货的每个不同的阶段会有不同的测试方法，其中主要会有两种∶中测和成 测。所谓中测即是WAFER的测试，它会包含产品的功能验证及AC、DC的测试。

专案相当繁多，以HOLTEK产品为例最主要的几项如下∶

(1)接续性测试∶检测每一根I/O PIN内接的保护用二极体是否功能无误。

(2)功能测试∶以产品设计者所提供测试资料(TEST PATTERN)灌入IC，检查其结果是否与当时SIMULATION时状态一 样。

(3)STANDBY电流测试∶测量IC处于HALT模式时即每一个接点(PAD)在1态0态或Z态保持不变时的漏电流是否符合最低之 规格。

(4)耗电测试∶整颗IC的静态耗电与动态耗电。

(5)输入电压测试∶测量每个输入接脚的输入电压反应特性。

(6)输出电压测试∶测量每个输出接脚的输出电压位元。

(7)相关频率特性(AC)测试，也是通过外灌一定频率，从I/O 口来看输出是否与之匹配。

(8)为了保证IC生产的长期且稳定质量，还会做产品的可靠性测试，这些测试包括ESD测试，LATCH UP测试，温度回圈测 试，高温贮存测试，湿度贮存测试等。 成测是产品封装好後的测试，即PACKAGE测试，其目的是确定通过中测的IC产品在封装过程中是否有损坏。测试方法主要是仪器自动测试，但测试项目仍与WAFER TEST相同。

2、在demo板上采样时，电压不稳定结果有波动，如何消除? 一般来说，模拟器都是工作在一个稳压的环境(通常为5V)。如果用模拟器的A/D时，要注意其A/D参考电压是由模拟器内部 给出，还是需要外部提供。A/D 转换需要一个连续的时钟周期，所以在仿真时不能用单步调试的方法，否则会造成A/D采样值 不准。至于A/D采样不稳定，可以在A/D输入口加一电容，起到滤波作用，再在软体处理时采用中值滤波的方法。

3、MCU系统为了省电，经常要进入掉电(POWER DOWN)状态，此时如何才能获得最低功耗? MCU的I/O口可用作输入和输出状态。以HOLTEK最简单的 I/OMCUHT48R05A-1为例，当作为输入时可设置成带上拉电阻的斯密特输入;作为输出时是CMOS输出。如果程式进入省电状态(HALT)时，首先，各个有用的I/O仍需输出一定值，以保 证外部电路工作正常，同时请小心不要让外部电路保持长耗电状态(如长时间导通继电器);对于暂时不用的I/O口，为了节 约功耗建议将I/O置为输出状态，并且输出为低。

4、如何减少程式中的bug? 因系统中实际运行的参数都是有范围的，系统运行中要考虑的超范围管理参数有∶

(1)物理参数∶这些参数主要是系统的输入参数，它包括激励参数、采集处理中的运行参数和处理结束的结果参数。合理设定 这些边界，将超出边界的参数都视为非正常激励或非正常回应进行出错处理。 (2)资源参数∶这些参数主要是系统中的电路、器件、功能单元的资源，如记忆体容量、存储单元长度、堆叠深度。在程式设 计中，对资源参数不允许超范围使用。

(3)应用参数∶这些应用参数常表现为一些MCU、功能单元的应用条件。如EEPROM的擦写次数与资料存储时间等应用参数 界限。

(4)过程参数∶指系统运行中的有序变化的参数。对程式师而言，须养成良好习惯，在程式的开头，有顺序的用自己喜欢文字 参数对应列表来替代，然后用自己定义的文字参数来编写程式，这样在做程式的修改及维护时只在程式的开头做变动即可，不 用修改到程式段，才比较容易且不会出错。

5、如何提高C语言编程代码的效率? 用C语言进行MCU程式设计是MCU开发与应用的必然趋势。如果使用C编程时，要达到最高的效率，最好熟悉所使用的C编译器。先试验一下每条C语言编译以后对应的组合语言的语句行数，这样就可以很明确的知道效率。在今后编程时，使用编译效率最高的语句。各家的C编译器都会有一定的差异，故编译效率也会有所不同，优秀的嵌入式系统C编译器代码长度和执行时 间仅比以组合语言编写的同样功能程度长5-20%。对于复杂而开发时间紧的专案时，可以采用C语言，但前提是要求你对该 MCU系统的C语言和C编译器非常熟悉，特别要注意该C编译系统所能支援的资料类型和演算法。虽然C 语言是最普遍的一种 高阶语言，但由于不同的MCU厂家其C语言编译系统是有所差别的，特别是在一些特殊功能模组的操作上。所以如果对这些特性不了解，那么调试起来问题就会很多，反而导致执行效率低于组合语言。

6、用作RF控制时，MCU的时钟(晶振)、资料线会辐射基频或倍频，被LNA放大后进入混频，出现带内Spur而无法滤除， 如何解决? 在设计高频电路用PCB有许多注意事项，尤其是GHz等级的高频电路，更需要注意各电子元件pad与印刷版图的长度对电路特 性所造成的影响。 最近几年高频电路与数位电路共用相同电路板，构成所谓的混载电路系统似乎有增加的趋势，类似如此的设计经常会造成数位 电路动作时，高频电路却发生动作不稳定等现象，其中原因之一是数位电路产生的杂讯，影响高频电路正常动作所致。为了避 免上述问题除了设法分割两电路block之外，设计电路板之前充分检讨设计构想，才是根本应有的手法。基本上，设计高频电路用电路板必需掌握下列三大原则∶高质感、不可取巧、不可仓促抢时间。

以下是设计高频电路板的一些建议∶

(a)印刷版图的长度会影响电路特性。尤其是传输速度为 GHz高速数位电路的传输线路，通常会使用strip line，同时藉由调 整配线长度补正传输延迟时间，其实这也意味著电子元件的设置位置对电路特性具有绝对性的影响。

(b)接地越大越好。铜箔面整体设置接地层，而连接via的较大接地面则是高频电路板与高速数位电路板共同的特徵，此外高 频电路板最忌讳使用幅宽细窄的印刷版图描绘地面。

(c)电子元件的接地端子，以最短的长度与电路板接地。具体方法是在电子元件的接地端子pad附近设置via，使电子元件能 以最短的长度与电路板接地。

(d)信号线作短配线设计。不可任意加大配线长度，尽量缩短配线长度。

(e)减少电路之间的结合。尤其是滤波器与放大器I/O之间作电路分割非常重要，它相当于音频电路的串扰对策。

(f) MCU回路布线考虑∶震荡电路尽可能接近IC震荡脚位;震荡电路与VDD&VSS保持足够的距离;震荡频率大于1MHz时不 需加osc1&osc2电容;电源与地间要最短位置并尽量布设等宽与等距的线，于节点位置加上104/ 103/102等陶瓷电容。

7、遥控是MCU的基本应用，在设计编解码时要注意什么? 一般来说，完整的遥控码分为头码、位址码、资料码和校验码四个组成部分。头码根据不同的厂家各不相同，位址码和资料码 都由逻辑“1”和逻辑“0”组成。编码的设计目的，就是按照编码规则发送不同的码值。遥控编码晶片最常用的是在空调、DVD、 车库门等遥控器上。

设计编码程式可以分为三个部分∶

(1)了解码型的特性。遥控码的头码和位址码(也称为客户码)是固定不变的，资料码和校验码根据不同的键值而改变。

(2)计算发码时间。遥控码大部分都是由逻辑“1”和逻辑“0” 组成，也就是由一串固定占空比、固定周期的方波所组成。通常 这些方波的周期是毫秒甚至微秒等级，需要在时间上计算的比较精确。所以你选择发码MCU型号的时候，就要考虑到MCU的 运行速度是不是够快，以及程式运行时间够不够。

(3)程式的编写。选定MCU型号之后，开始设计程式流程。一般来说我们使用I/O口就可以做发码的输出埠。发码程式一般 由几个子程式组成，头码副程式、逻辑1副程式，逻辑0副程式以及校验码的演算法副程式。一旦我们得到要发送码的命令后，首先调用头码副程式，然后根据客户码和键值调用逻辑1副程式或者逻辑0副程式，最后调用校验码演算法副程式输出校 验码。

设计解码程式也可以分为三部分∶

(1)了解编码波形特性。从分析编码的高、低脉冲宽度入手，了解逻辑“1”和逻辑“0”的波形占空比、周期，了解头码的特 性。

(2)确定接收方式。一般我们可以用I/O口查询方法或者INT 口中断回应方法来接收编码。这两者的区别是I/O口查询方式比 较耗费MCU的运行时间资源，需要不断的去侦测I/O的电平变化，以免漏掉有效的码值;而INT口中断接收方式则比较节省资 源，当外部有电平变化时，MCU才需要去处理，不需要时刻进行侦测。但是INT口中断接收方式不能辨别相同周期不同占空比 的波形特性，当编码所携带的逻辑“1”和逻辑“0”具有这种特性时，就无法通过INT口中断接收方式来辨别了，因为INT中断只是 在上升沿或者下降沿的时候才触发。

(3)将接收的码值存储并分析执行。根据判断高低电平的宽度(计时器或者延时)，可以得到码值，也就是所说的解码。一 般我们连续收到3个相同的完整码值，就确认此码的确被发出，并接收成功。当解码结束，根据码值我们可以判断出是哪个按 键被按下，由此去执行相对的按键功能。

8、如何设计控制系统(发电机系统)的重定电路?

MCU复位可分为内部与外部事件复位。外部事件复位包括上电复位、RES重定和低电压重定。上电复位和RES复位是人为的 正常重定，以保证程式计数器被清零且程式从头开始执行。要正常进行这两种重定动作，需要外接正确的RES重定电路，一 般来说不同的MCU的重定电路稍有不同，MCU厂商都会提供标准的重定电路资料。

以HOLTEK IC为例，我们提供的重定电路 是RES脚接100KΩ电阻至VDD; RES脚再接10KΩ电阻和0.1μF的电容至VSS。 当电源电压受外部干扰，低于正常工作电压时，会造成程式功能运行不正常，严重的还可能造成MCU死机。此时会对发电机 系统造成严重后果，因此需要用低电压重定来解决这个问题。

通常可以用两个方法实现低电压重定∶

(1)外加一个电压检测晶片加到RES脚上，当电源电压低于某个临界值时，电压检测晶片会给出一个低电平到RES脚使MCU 复位，防止MCU死机。

(2)有些厂家的低功耗MCU内部会有一个低电压检测LVR功。当电源电压低于某一个临界值时，MCU会自动复位避免死机，外部不 需要再连接任何检测电压的电路。 除了外部电源不稳定会造成MCU复位，内部WDT溢出也会造成复位，即内部事件复位。对于需要长时间稳定工作的系统来 说，看门狗是十分必要的，它可以避免程式跑飞造成的错误。当重定发生时，要保证重后能与重定前的各个状态无缝的连接起来，就需要用软体来判定重定前程式执行到哪个程式段。