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微控制器(MCU)的外围配置
2007/2/10 11:49:22    

在许多层面上,MCU与MPU是没有明确分别的。那么,不同名称的MCU与MPU不太明显的分别究竟在那里?答案可能在整合度上:MPU追求较高的运算力、较丰富的硬件资源,以及硬件架构组态上的设计弹性,所以整合度较松;相对的,MCU则是以整合度为第一优先,尽可能将运算、记忆、接口等一并容纳,资源与弹性反成次要考虑。不仅硬件如此,就连软件也类似,例如操作系统就有多任务操作系统与嵌入式操作系统(有时也是实时操作系统)之别,多任务操作系统讲究同时执行多个程序,并将效能与资源进行最佳化调配,相对的嵌入(实时)操作系统则以少数专精工作的效率与反应为重。

更进一步说,MCU不只有基础硬件资源的浓缩整合,也针对控制应用所需的功效进行整合,这些功效在MCU内多以外围型态提供。若能善用这些外围功效,就可发挥戏剧性效益。


一般输出入接口


GPIO(General Purpose I/O;GPIO)看似平凡无奇,其实仍有差异,例如I/O规划是逐埠(Port)设定还是逐脚位(Pin)设定?操控上也类似,是逐埠操控或逐脚位操控?很明显,逐脚位比逐埠更能细腻、灵活地运用资源。再来是接脚的输出方式,最好能输出各种逻辑电压电平,并具有开汲极(Open Drain)、三态浮接(Hi-Z)等弹性,输入上可选择读取逻辑拴锁(Latch)值或接脚逻辑电位。此外,接脚的电源(Source)、汲入(Sink)电流承受应尽量高,如此可让扇出(Fan-Out)、扇入(Fan-In)数增加,甚或直接驱动LED,但却不需要使用额外的界接处理。


中断(Interrupt)


中断的优劣绝不是单纯以中断源的多寡来论断,更需要去考虑中断的机制设计。事实上,MCU的中断结构普遍比MPU简单,中断源的数目多半与内建外围数接近,中断的仲裁也以事先的2阶、4阶优先权设定为主,而少有中断事发时才通过数值读取来分析该中断的优先层次,同时中断向量地址、堆栈深度等也多采固定制,即中断源与中断向量地址直接对应,不需要再用程序去分析。堆栈内存以专属型态存在,独立于程序、数据存储器之外,深度多在简单的2、5、8阶左右。另外,MCU的不可屏蔽型中断(Non-Maskable Interrupt;NMI)也采固定、简单式设计,一般只有重置脚位(Reset;RST)、看门狗定时器(Watchdog Timer;WDT)等才能触发NMI,较少提供可弹性规划配置的NMI。


定时器(Timer;TMR)、计数器(Counter)


计时计数是最基础的MCU功效外围,各款MCU差异不大,但依然有些细节差异,例如能否弹性选择递增制或递减制、计时计数的位数、触发源的选择弹性、选择电平(High/Low Level)触发或边沿(Rising/Fall Edge)触发、计满后能否自动重新加载(Auto-reload)设定值、有否提供预除(Pre-Scale)选择等。


比较、捕捉、脉宽调变输出(CCP)  


“比较(Compare)、捕捉(Capture)、脉宽调变输出(Pulse Width Modulation;PWM)”等三种功效简单说即是计时计数器的衍生应用,“比较”类似一种定时定值输出;“捕捉”则类似赛跑用的秒表,用来计算起迄过程中所耗历的时间或次数。由于经常以三合一功效模块来实现,所以简称CCP。至于CCP多半用于哪些应用?以MCU业者示范的应用说明而言,大致有超声波测距、模糊(Fuzzy)逻辑式的气流控制、ADPCM、步进马达控制、D类功率放大等。


可编程计数器阵列(PCA)


PCA(Programmable Counter Array)是各种计时计数器应用的更广义、弹性设计,让计时计数等硬件资源获得更灵活的调拨、配置,有些甚至可以配置成看门狗定时器(如SST公司FlashFlex51系列中的SST89E/V554RC、SST89E/V564RD,或如Winbond的W78ERD2、W78IRD2)。


即时时钟(RTC)


即时时钟(Real-Time Clock;RTC)指的就是真实世界的日期、时间,使用32.768kHz的振荡频率运作,不仅提供给控制程序所需的“年月日时”等信息,也能充当典型的定时器来使用,以设定的时间来产生周期性的中断信号,或是充当MCU核心的省电闹钟,在MCU进入省电的轻度休眠状态时,RTC依然可维持清醒地正常运作,并在设定的省电时间超时、到期后唤醒MCU核心。既然RTC要随时更新真实世界的日期、时间,所以必须全天候不停休地运作,即便应用系统、MCU等都断电停机也必须持续运作,因此使用RTC通常会搭配电池设计,以便维持全时性运作,或在系统重新送电后,于初始阶段能自外部取得最新的日期、时间等信息。


UART、USART、EUSART、AUSART


通用型通步串行收发器(UART)也是MCU经常内建的一项外围功能,与其说是外围功能,不如说是MCU与外界的另一种沟通、传输接口,UART可以规划成各种产业界的现行串行传输标准,如RS/EIA-232、RS/EIA-422、RS/EIA-485等。要提醒的是,串行传输需要包率产生器(Baud Rate Generator)的辅助才能运作,通常会挪用MCU内部的定时器来充当包率产生器,一旦被挪用,原有可用于计时计数器应用的资源就会减少,在应用资源规划时需要事先注意。另外,控制应用也可能有异步串行传输的需求,所以也有MCU业者提出可弹性选择同步与异步的串行传输,此称为USART。在USART后又有一种强化改进型的EUSART(Enhanced USART),主要是增加了包率快慢的自动监测(auto baud rate detect)机制,增加此机制可让原有的USART规划成符合LIN接口的传输标准。不过,即便没有EUSART,以USART为基础再搭配控制程序的编写,也是可以实现LIN接口及其传输,只是要耗用较多的MCU运算效能,且传输速率受限于MCU运算效能,更严格地说,以GPIO脚位为串行传输接口,整个传输收发程序与处理都用控制程序编写,也是可以实现串行传输,只是会大量耗占MCU的运算效能。

另外,今日的串行传输应用已鲜少是一对一(对等)互连,而是一对多(一主多仆)、多对多(无主)的联机,如此经常要先传递地址信息,待另一端有响应时才正式进行数据传递,而UART/USART/EUSART并没有提供寻址方面的方便性,地址信息的收发程序与串行数据的收发程序相同,如此也会过度耗占MCU的程序运算,为此MCU业者提出了AUSART(Addressable USART),可简化过去用程序操控的寻址程序。


I2C/MI2C、SPI、Microwire


除了可弹性规划调整的USART外,MCU也经常内建一些现成常用的串行接口,最典型有I2C、SPI及Microwire,虽然I2C是由NXP提出,SPI由Freescale提出,Microwire由NS提出,但今日几乎各业者都普遍使用。另外,也有一些是MCU业者自行提出,但却不如I2C、SPI、Microwire普及,以自家MCU内建为多的串行接口,如MAXIM/Dallas Semiconductor的3-Wire、1-Wire界面等。其它也有更贴近产业应用的倾向,如PC、外围等信息相关的控制应用会内建USB,车用相关则会内建CAN、LIN,音源应用有关者则有I2S、AC''97、SP/DIF等,电池管理或组态管理则有SMBus,PC传统兼容应用则有LPC。


并列式受控埠(PSP)


PSP是指Parallel Slave Port,即是将MCU当成受控的外围芯片来运用,其它欲操控MCU的主控芯片只需使用最传统的8位并列接口,便可让主控芯片(Master)、受控(Slave)芯片进行传输、操控。从某种角度看,PSP让MCU转化成8255之类的外围I/O芯片,但却可通过MCU的控制程序与外围机制让操控更具变化性。不过,内建PSP功效的MCU不多,主要是Microchip的PIC16系列,如PIC16C65B、PIC16C765、PIC16C774等。

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