MCU應(yīng)用系統(tǒng)從16位升級(jí)為32位時(shí)的設(shè)計(jì)考慮

　當(dāng)我們打算把一個(gè)16位的微控制器(MCU)升級(jí)到32位的時(shí)候，通常要考慮多方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文以汽車(chē)引擎控制單元(ECU)為例，概要介紹了對(duì)這些問(wèn)題的處理方法。

　　在過(guò)去的二十年當(dāng)中，隨著交通工具復(fù)雜性的日益增加，工程師已將ECU從8位MCU升級(jí)為16位以上的器件。目前，這樣一個(gè)高度集成的32位 RISC MCU就是瑞薩公司的SH7058,它是一種具有1MB片上閃存和48KB RAM組成的80MHz的MCU。由于存在多種系統(tǒng)需求，如控制擴(kuò)展級(jí)輸入/輸出(I/O)、借助于安全性高的通訊鏈接(如CAN和Flexray)與其它的車(chē)載系統(tǒng)進(jìn)行通訊以及具有浮點(diǎn)精度的處理算法,當(dāng)今的ECU采用高速32位MCU就是必不可少的配置。

　　除了帶來(lái)新的性能優(yōu)勢(shì)之外，最新的32位MCU減少了電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，節(jié)省了整體PCB空間，降低了系統(tǒng)的功耗要求，并且減少了電噪音和抵抗電磁干擾(EMI)的能力。通常，每一個(gè)ECU的制造成本約70到100美元不等，以這一成本計(jì)算，一個(gè)MCU就占到了總成本的15%-20%。

　　采用32位MCU 的系統(tǒng)通常非常復(fù)雜，并且一般需要花2到4年的時(shí)間才能完成一個(gè)ECU項(xiàng)目，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常由1-2個(gè)硬件工程師和4-5個(gè)軟件工程師組成。為取得理想進(jìn)度，所有的里程碑及需要的資源必須加以正確識(shí)別。此外，從概念定義到生產(chǎn)的設(shè)計(jì)流程必須與開(kāi)始相一致。

　　項(xiàng)目計(jì)劃應(yīng)確定設(shè)計(jì)環(huán)境，尤其是開(kāi)發(fā)工具，并且要考慮測(cè)試和調(diào)試規(guī)劃。圖1以圖解形式說(shuō)明了一個(gè)假想的ECU系統(tǒng)圖。

　　系統(tǒng)劃分

　　在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期階段，主要目標(biāo)是確定用硬件實(shí)現(xiàn)什么功能，而用軟件要實(shí)現(xiàn)什么功能。這一決定將受工程預(yù)算、元件成本、PCB空間和任務(wù)期限這些因素的影響，因而需要權(quán)衡決定。在ECU設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要運(yùn)用大量的算法建模和系統(tǒng)仿真以解決設(shè)計(jì)劃分的優(yōu)化問(wèn)題。目前，有一些供應(yīng)商提供解決設(shè)計(jì)劃分問(wèn)題的方案。

　　軟件問(wèn)題

　　開(kāi)發(fā)32位系統(tǒng)的時(shí)候，軟件工程師必須考慮采用什么辦法去許多問(wèn)題。在ECU應(yīng)用中，如果從以前的設(shè)計(jì)中所得的經(jīng)驗(yàn)證的代碼能夠被重新使用，就會(huì)節(jié)省時(shí)間，工作量也會(huì)減少。大部分的嵌入式設(shè)計(jì)要用用到C語(yǔ)言，因而代碼可重用的比例很高。

　但是，移接原有的代碼需要改變外圍驅(qū)動(dòng)器和代碼區(qū)段，該區(qū)段顯示了與MCU設(shè)計(jì)之間具有特定關(guān)系的項(xiàng)目。我們推薦使用像IAR's MakeApp這樣能節(jié)省數(shù)小時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)間的器件驅(qū)動(dòng)程序代碼生成工具。

　　與代碼開(kāi)發(fā)工作項(xiàng)目相關(guān)的其它重要的問(wèn)題也不可被忽視：

　　* 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選擇：已有很多論文和文章就如何選取擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)給出了建議。對(duì)于ECU設(shè)計(jì)，OSEK已經(jīng)逐漸演變?yōu)樾袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)RTOS，可從許多的供應(yīng)商那里買(mǎi)到這種具有確定性、魯棒性、高效率和穩(wěn)定的解決方案。

　　* 調(diào)試模式：軟件工程師應(yīng)當(dāng)在項(xiàng)目進(jìn)入集成階段的時(shí)候，確信自身具備足夠的查錯(cuò)及排障的能力，盡管代碼模擬器相當(dāng)可靠，但集成問(wèn)題還是存在的。這時(shí)候要怎么辦？答案各有不同。以ECU設(shè)計(jì)為例，一個(gè)全速傳統(tǒng)的在線仿真器(ICE)的價(jià)格昂貴(12,000美元)，它不僅在引擎隔倉(cāng)中應(yīng)用在線仿真的難度很大，而且不能用于解決棘手的時(shí)序問(wèn)題。

　　相比之下，片上調(diào)試(JTAG型) 仿真器是經(jīng)濟(jì)的($1,000) ，并且較易于連接到系統(tǒng)上。舉個(gè)例子，RENESAS' E10A,是一種JTAG-兼容硬件調(diào)試器，該種調(diào)試器可使工程師詢(xún)問(wèn)并控制寄存器集以及某個(gè)超高整處理器的RAM存儲(chǔ)器。此外，要提高ECU代碼的精度，軟件工程師要能利用某種AUD(高級(jí)用戶(hù)調(diào)試) 的特性，該AUD會(huì)形成超高速CPU管線的特別的線跡。RENESAS SH7058 MCU系列中，MCU上的AUD界面是雙向作用的，并且無(wú)須暫停CPU，也可使RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　硬件問(wèn)題

　　32位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)遇到很多硬件問(wèn)題，以下幾點(diǎn)值得特別注意：

　　* 電源供應(yīng)濾波：絕大部分32位MCU比16位MCU的運(yùn)行速度要快很多，此外，32位MCU的CPU內(nèi)核要求獨(dú)立的低壓供電系統(tǒng)，因此其噪聲容限要比 I/O電路嚴(yán)格得多。因此，在PUB周?chē)?，尤其MCU的附近要安放足夠的低頻和高頻的去耦電容，實(shí)踐表明去耦電容能夠有效地降低噪聲。

　　* 片上閃存：在過(guò)去，用于ECU 系統(tǒng)中的許多MCU 不具備足夠的內(nèi)存作為一個(gè)單芯片控制器進(jìn)行運(yùn)行，并且部分MCU 就根本沒(méi)有程序內(nèi)存，結(jié)果是程序內(nèi)存被設(shè)置在芯片之外，由于需要大量高速尋址和數(shù)據(jù)總線，因而常常會(huì)導(dǎo)致EMI問(wèn)題的出現(xiàn)。

　　目前，像SH7058這樣的32位ECU具有1 MB閃存，具有真正意義的單片解決方案特征。在大多數(shù)情況下，由于具有大量的片上程序內(nèi)存，所以不再需要片外內(nèi)存。在采用SH7058的ECU設(shè)計(jì)中，片上閃存可通過(guò)兩種方式進(jìn)行固化，一種是在主板制造前，對(duì)器件進(jìn)行固化，另一種是主板的設(shè)計(jì)完成后在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行固化，這樣，軟件工程師在升級(jí)代碼時(shí)就有了很大的靈活性，工程師甚至能在ECU被安裝在車(chē)輛內(nèi)部以后，也能借助車(chē)載總線(CAN)進(jìn)行升級(jí)操作。

　　本文小結(jié)

　　從16位到32位MCU的跨躍是一個(gè)質(zhì)的飛躍，這種趨勢(shì)是不可避免的。32位實(shí)現(xiàn)方案極大地提升系統(tǒng)的運(yùn)算能力及操作性能，進(jìn)行成功轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是要有充分的準(zhǔn)備、訓(xùn)練和周密的開(kāi)發(fā)工具選擇策略，此外，像瑞薩這樣的32位MCU供應(yīng)商的持續(xù)支持也是至關(guān)重要的。