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微控制器(MCU)的附加功能
2007/2/10 11:49:28    

在MCU中,有些功能与设计并非是必须的,即便没有这些功能MCU也依然可以正常工作,但有了这些特点并加以运用后,MCU可以获得更完美的表现。事实上,主运作之外的功能才是近年来MCU的重点强调,因为MCU技术门坎较低,半导体业者不易在效能、资源等核心层面拥有大幅领先的优势,加上中性、基础性的外围功效也都逐渐齐备,使得MCU必须从更广多的层面来强化其价值。以下是一些常见的MCU附加功能:


看门狗定时器(WDT)


看门狗定时器(Watchdog Timer)大概是最早被选入MCU中的附属功能,原因是有些应用是不允许临时停摆的(如生产在线的输送带),MCU必须尽可能地保持正常运作,即便故障停摆也必须在极短时间内自行恢复正常,或者MCU所处的控制环境相当恶劣或多变,MCU容易因外在因素(如噪声干扰、例外事件等)而频繁停摆,这时都可以使用WDT来补强。


欠压复位(BOR)


欠压复位(Brown-Out detection/Reset)指检测到电压过低时,自动重新开机。如果说WDT是避免MCU因程序落入预期外的死循环而导致误动作、停摆,那么BOR则是为了避免、降低供应给MCU的运作电压过度不稳时所造成的控制影响,一旦MCU的运作电压低至某个程度,BOR电路就会自动将MCU进行重置。


送电后重置(POR)


BOR是电压过低时对MCU发出重置,相反的POR(Power-On Reset)是在电压高于设定的电平时才对MCU发出重置,一般而言,控制系统刚送电启动时,供电电压会逐步提升,这时POR就会发生作用。老实说,POR比BOR更早出现,且几乎是MCU就会用到POR,过去多是在MCU外部再行设计POR电路(如使用555振荡器IC),如今则是直接内建,内建可节省控制应用的BOM元件数、电路板面积等制造成本。


送电后定时器(PWRT)


WDT、BOR、POR都会对MCU产生重置,进一步的还要确保重置的“质量”,而质量要求主要有二点,一是重置的逻辑电平必须能保持一段时间,不能太快消失或在短瞬间内反复出现,另一是MCU的运作频率稳定度,因为运作频率与运作电压两者只要有一者表现失常,就会对MCU的控制运作造成影响。为了确保重置信号的电平维持够久,所以MCU内可以增设一个PWRT,PWRT会监测重置信号的电压,只要持续在允许的电压位准内,PWRT就会持续地计时,且计时过程中电压没有偏离过,最后计时就会溢满(超时),反之若过程中有偏离,则PWRT会重新计时,若未计时到溢满,MCU都无法脱离重置阶段,也就无法正式初始及运作。


振荡器初始定时器(OST)


PWRT计满后理应进入初始及正式工作,但是PWRT只能确保运作电压已达一定的可工作水平,但不能确保运作频率也达相同水平,为此也必须舍弃送电后的最初瞬时、不稳的频率信号,待频率信号稳定后,才让MCU进入正式工作。因此,多数MCU业者也为频率稳定提供确保性设计,同样是运用定时器延迟的概念,舍弃振荡器初始时的不稳频率不用,让MCU一起头就使用稳当的频率,作法上是让最初的频率信号只用来递增定时器,待计满一定的时间后才将频率导引到MCU的全部电路上,而这个缓冲定时器就称为振荡器初始定时器(Oscillator Start-up Timer;OST)。


内部振荡器(IntOSC)


过去任何MCU在封装上都至少要保留2个脚位以便连接外部振荡电路,一般而言是用一个石英振荡器(Crystal Oscillator)及2个电容所构成,部分也用陶瓷振荡器或来自其它芯片的输出频率。之后又有业者提出更低廉的方案,即是用RC振荡电路,外部只需要一个电阻、一个电容即可构成,然缺点是容易受外界环境(如温度)的影响而使振荡时基偏移,因此不适合用在需要精密时间控制的场合。不过,近年来又有了更理想的作法,直接将振荡器内建至MCU内,如内建RC振荡器、石英振荡器等,如此就可略省外部振荡器及振荡电路等成本,且业者也较能保证内部振荡器的时序精度,如±2.5%、±2%、±1%等。因此除了节省成本外,内部型振荡器(Internal Oscillator;IntOSC)也有助于MCU稳定运作。内部型振荡器的好处不单在于精省与精准,有时也能用于其它层面,例如MCU平时可用外部的高频振荡器来运作,但在进入省电模式(或讲究省电型的控制应用)改切换成使用内部振荡器运作,或作为MCU休眠状态时的持续运作频率,持续供应频率给省电模态下的工作定时器,甚或部分的外围电路,以便定时器计满后能唤醒MCU。


在线烧录(ICP)


MCU业者只要有提供可重复烧写程序的Flash型MCU,几乎就会连带提供在线烧录(In-Circuit Programming;ICP)机制,或称为ISP(In-System Programming)机制,有此机制后,便可在控制应用系统出货后仍可在应用现场为MCU换新控制程序,甚至是运用远程操控技术,直接将新程序通过网络传递至现场进行更新烧录。虽然各MCU业者多会提供ICP/ISP,但各家的作法不尽相同,包括烧录时所使用的脚位、电压、时序等都各有其异,有的业者甚至认为自家的现场烧录技术较他家更为先进优异,因此还为自有技术另订称呼,如Microchip的ICSP(In-Circuit Serial Programming)技术。

而ICP/ISP其实是就近式的烧录更新,另有一种是通过网络传输的远程式烧录更新,此称为IAP(In-Application Programming),作法上是先在MCU另设一块独立的程序内存,该内存内放置着MCU的开机初始程序(一般称为Boot Loader)、网络传输程序、烧录操作程序。

之后,MCU不再从原有的程序内存进行开机初始,而是改从上述的独立程序区来初始,初始完成后也由此区的网络传输程序来操控MCU的网络接口(一般为MCU内建的串行传输接口,如UART、I2C等),开始自MCU外接收入新的控制程序,然后将新程序烧录到MCU原有的正规程序内存,最后将MCU的主控权交还给正规程序内存的新版控制程序。主控权交还后,独立程序区也就退至幕后,如同无形、隐形一般,直到下一次又有程序烧录需求时才会再次现身并再次运用。


在线纠错(JTAG、ICD)


由于芯片脚位愈来愈多,配置排列上也愈来愈密,过去用外部探针对接脚进行量测检验的方法逐渐难行,因此,有了在芯片内建立量测线路,并用少数接脚及串行通讯方式来取代探针检测,此种边界扫描(Boundary Scan)架构及测试存取埠等标准称为JTAG(Joint Test Action Group),国际电子电机标准则为IEEE 1149.1,于1990年首次颁布。因此,接脚数较多的MCU也于芯片内布设好边界扫描,并对外提供JTAG标准测试埠以供测试存取、操作,如此MCU正式焊上控制系统后,便可通过JTAG来了解各脚位是否确实导通,逻辑是否正确等,让生产良率的检测更加方便快速。JTAG主要是改善生产测试,另外有的MCU也内建在线除错器(In-Circuit Debugger;ICD)及执行断点(Breakpoint),可与外部开发工具程序相搭配,以进行开发上的测试除错,或现场维修时的检测。

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