一种16位高性能MCU的关键模块设计

摘要

当今社会，随着科学技术的高速发展，电子产品已经越来越多地走进人们的生活。随着人民生活水平的提高，各种计量检测电路开始逐渐普及并融入了人们的日常生活。而这些都离不开高性能计量微控制器(McU)电路。
　　 随着应用要求的不断提高，目前部分国外公司已推出采用16位MCU做主控来提升产品性能。随着FLASH技术的普及，在线编程和C编译工具已在该类产品中普遍应用，极大的提高了开发效率和应用灵活性，已成为一种必然趋势。
　　 16位MCU在汽车、工业及数码AV、民用医疗器械等领域中比重持续扩大，16位MCU产品的典型应用有仪表计量、工业控制、多媒体处理等，在中国市场已超过10亿元规模，而其中大部分产品依靠进口，特别是高端智能型产品市场，基本上完全被国外公司所垄断。本课题的成功实施，将可以打破国外公司对中端系统级芯片(SOC)产品的市场垄断，有利于我国相关产品生产企业的产业技术升级和降低成本。
　　 本课题主要研究了构成MCU的几个关键模块。包括CPU内核构架的定义，主要内容是ALU模块搭建、指令执行时序设计、指令定义、寻址模式定义等工作。在线编程调试模块的设计主要是在理解IEEE标准1149.121990的基础上进行针对性的JTAG指令定义、JTAG控制寄存器定义，DEBUG部分主要工作是针对在线调试目的进行了单步执行、断点执行、连续执行的功能设计。EFLASH部分主要问题是选定和理解flash ip并进行嵌入设计，包括定义相关flash控制模块来实现读出、写入、擦除等操作以及对不同模式的操作进行匹配时钟控制电路设计及接口设计。在线编程模块的设计是FLASH型MCU的一大特点，通过JTAG接口，使用者可以方便的进行编程调试工作。此电路采用2P3M EFLASH工艺实现，采用对应的模型参数进行了各模块的HSPICE，HSIM仿真，整体进行了VERILOG仿真，并对关键模块进行FPGA验证。最后针对具体工艺线确定和调整参数，并最后完成版图设计，进行了试流片，流片完成后对整个电路进行了各项功能和性能的测试。
　　 此产品的流片测试验证结果表明产品的各项功能和性能都符合规范要求，说明此电路的CPU构架设计、ip选型、工艺参数确认、版图设计及仿真流程都是可行的。本课题的成功实施，为我们公司开发16位EFLASH系列MCU打下了良好的基础，同时也将推动国内自主MCU设计技术的发展。