2006年微控制器五大趨勢－加值篇

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微控制器高階功能詳解


前言：在MCU中，有些功能與設計並非是必須的，即便沒有這些功能特色MCU也依然可以正常工作，但有了這些特點並加以運用後，MCU可以獲得更良善的運作表現。

　事實上「主運作之外的功能價值」才是近年來MCU的重點強調，理由是MCU技術門檻較低，半導體業者不易在效能、資源等核心層面擁有大幅領先的優勢，加上中性、基礎性的週邊功效也都逐漸齊備，使得MCU必須從更廣多的層面來強化其價值。

　所謂的廣多層面有哪些？一是在半導體技術上持續偏執，將更困難整合的類比、混訊控制電路內建到MCU內，如ADC、DAC、Comparator、Amplifier、Filter等。二是更貼近產業及應用需求而設計，如因應Smart Card等高安全性需求而內建硬體隨機亂數產生器，或針對馬達控制更佳專精，以更方便於自動化家電的設計。三是在產銷營運上更高度配合，在MCU的交量、交期、交價上提供更多承諾。

　至於四，就是本文所要詳加談論的：擴增MCU晶片在主運作外的加值功效，以下我們就來逐一解說。

▲今日MCU除了在外部振盪器有多種選擇外，也多具有內部高精度振盪器的設計，圖為SiLabs C8051F12x的振盪器功能方塊圖，外部有4種振盪方式可選擇，內部亦可進行更多的規劃調整。（圖片來源：SiLabs.com）

■看門狗計時器（WDT）

　看門狗計時器（Watchdog Timer）大概是最早被選入MCU中的加值附屬，原因是有些應用是不允許臨時停擺的（如生產線上的輸送帶），MCU必須盡可能地保持正常運作，即便故障停擺也必須在極短時間內自行恢復正常，或者MCU所處的控制環境相當惡劣或多變，MCU容易因外在因素（如雜訊干擾、例外事件等）而頻繁停擺，這時都可以使用WDT來補強。

▲Atmel的8-bitAVR架構（另有32-bit的AVR32架構，將MCU與DSP結合，類似DSC）MCU：ATtiny13，其內部具有強化型的看門狗計時器，運作上使用與MCU不同的內部振盪器（不受MCU振盪器影響），超時溢位時間可在16mS～8S間刻度性選擇，且溢位可選擇重置MCU或中斷MCU，或兩者都行使。（圖片來源：Atmel）

附註：各MCU內建的WDT設計大同小異，但有的MCU允許在控制運作時仍可彈性選擇啟動、關閉WDT，有些則否，一旦在MCU植入控制系統前決定開或關，就無法在運作中再次變動。

■電壓低落重置（BOR）

　電壓低落重置（Brown-Out detection/Reset）在簡體中文的技術資料中寫成「欠壓復位」，復位、重置所指的意思都是「重新開機」。

　如果說WDT是避免MCU因程式落入預期外的無窮迴圈（對岸稱為：死循環）而導致誤動作、停擺，那麼BOR則是為了避免、降低供應給MCU的運作電壓過度不穩時所造成的控制影響，一旦MCU的運作電壓低至某個程度，BOR電路就會自動將MCU進行重置。

附註：有些MCU的BOR允許控制設計者自行決定低壓標準，此稱為可程式化的BOR（Programmable BOR；PBOR），有些則否，而由MCU業者自主訂定，MCU出廠後便無法調整。

附註：有的業者稱BOR為VBO（Voltage Brown-Out）或BOD（Brown Out Detector），然意思相同。

■送電後重置（POR）

　BOR是電壓過低時對MCU發出重置，相反的POR（Power-On Reset）是在電壓高於設定的位準時才對MCU發出重置，一般而言，控制系統剛送電啟動時，供電電壓會逐步提升，這時POR就會發生作用。

　老實說，POR比BOR更早出現，且幾乎是MCU就會用到POR，過去多是在MCU外部再行設計POR電路（如使用555振盪器IC），如今則是直接內建，內建可節省控制應用的料件數、電路板面積等產製成本。

▲最簡單的Power-On Reset電路即是用RC充放電電路（圖左）所構成，但為了讓重置程序更加穩定，可以在電阻位置並聯一個二極體（圖右）。（圖片來源：Maxim-ic.com）

■送電後計時器（PWRT）

　WDT、BOR、POR都會對MCU產生重置，進一步的還要確保重置的「品質」，而品質要求主要有二，一是重置的邏輯準位必須能保持一段時間，不能太快消失或在短瞬間內反覆出現，另一是MCU的運作時脈穩定度，因為運作時脈與運作電壓兩者只要有一者表現失常，就會對MCU的控制運作造成影響。

　為了確保重置信號的準位維持夠久，所以MCU內可以增設一個PWRT，PWRT會偵測重置信號的電壓，只要持續在允許的電壓位準內，PWRT就會持續地計時，且計時過程中電壓沒有偏離過，最後計時就會溢滿（超時），反之若過程中有偏離，則PWRT會重新計時，若未計時到溢滿，MCU都無法脫離重置階段，也就無法正式初始及運作。

附註：部份業者的MCU將此功能稱為裝置重置計時器（Device Reset Timer；DRT）。

■振盪器初始計時器（OST）

　PWRT計滿後理應進入初始及正式工作，但是PWRT只能確保運作電壓已達一定的可工作水準，但不能確保運作時脈也達相同水準，為此也必須捨棄送電後的最初暫態、不穩的時脈信號，待時脈信號穩定後，才讓MCU進入正式工作。

　因此，多數MCU業者也為時脈穩定提供確保性設計，同樣是運用計時器延遲的概念，捨棄振盪器初始時的不穩時脈不用，讓MCU一起頭就使用穩當的時脈，作法上是讓最初的時脈信號只用來遞增計時器，待計滿一定的時間後才將時脈導引到MCU的全部電路上，而這個緩衝計時器就稱為振盪器初始計時器（Oscillator Start-up Timer；OST）。

附註：有些業者也將OST稱為OSG（Oscillator Safeguard），如ST。

■內部振盪器（IntOSC）

　過去任何MCU在封裝上都至少要保留2個腳位好用來連接外部振盪電路，一般而言是用一個石英振盪器（Crystal Oscillator）及2個電容所構成，部份也用陶瓷振盪器或來自其他晶片的輸出時脈。

　之後又有業者提出更低廉的方案，即是用RC振盪電路，外部只需要一個電阻、一個電容即可構成，然缺點是容易受外界環境（如：溫度）的影響而使振盪時基偏移，因此不適合用在需要精密時間控制的場合。

　不過，近年來又有了更理想的作法，直接將振盪器內建至MCU內，如內建RC振盪器、石英振盪器等，如此就可略省外部振盪器及振盪電路等成本，且業者也較能保證內部振盪器的時序精度，如正負2.5％、正負2％、正負1％等。因此除了精省成本外，內部型振盪器（Internal Oscillator；IntOSC）也有助於MCU穩定運作。

　內部型振盪器的好處不單在於精省與精準，有時也能用於其他層面，例如MCU平時可用外部的高頻振盪器來運作，但在進入省電模式（或講究省電型的控制應用）改切換成使用內部振盪器運作，或作為MCU休眠狀態時的持續運作時脈，持續供應時脈給省電模態下的工作計時器，甚或部份的週邊電路，以便計時器計滿後能喚醒MCU。

▲Microchip的PIC16CXX系列MCU使用該公司獨有的ICSP線上程式燒錄技術，只需5條接線即可進行燒錄，5線的作用分別是：+5V工作電壓、0V接地、Vpp燒錄電壓、CLK燒錄時脈輸入、Data I/O燒錄資料輸入。（圖片來源：Microchip.com）

附註：內建型振盪器受限於整合技術，目前的時脈頻率普遍低於外部型振盪器。

■線上燒錄（ICP）

　今日MCU業者只要有提供可重複燒寫程式的Flash型MCU，就幾乎會連帶提供線上燒錄（In-Circuit Programming；ICP）機制，或稱為ISP（In-System Programming）機制，有此機制後，便可在控制應用系統出貨後仍可在應用現場為MCU換新控制程式，甚至是運用遠端操控技術，直接將新程式透過網路傳遞至現場進行更新燒錄。

　雖然各MCU業者多會提供ICP/ISP，但各家的作法不盡相同，包括燒錄時所使用的腳位、電壓、時序等都各有其異，有的業者甚至認為自家的現場燒錄技術較他家更為先進優異，因此還為自有技術另訂稱呼，如Microchip的ICSP（In-Circuit Serial Programming）技術。

　各家技術雖異，但卻有默契性的強化追求方向，這包括：1.燒錄程序的操作腳位數應盡可能地減少，使現場燒錄操作更加方便，錯誤意外也可以減少，或至少要提供彈性的燒錄腳位組態，如同時提供程式資料並列燒錄或串列燒錄，串列所用的腳位數較少，但燒錄效率也較慢。2.燒錄所用的電壓應盡可能與一般運作時的電壓相同，否則還需額外準備另一準位的電壓，徒增麻煩性。3.燒錄程序應盡可能快速完成，增加作業效率。

　若更詳細說明，ICP/ISP其實是就近式的燒錄更新，另有一種是透過網路傳輸的遠端式燒錄更新，此稱為IAP（In-Application Programming），作法上是先在MCU另設一塊獨立的程式記憶體，該記憶體內放置著MCU的開機初始程式（一般稱為：Boot Loader）、網路傳輸程式、燒錄操作程式。

　之後，MCU不再從原有的程式記憶體進行開機初始，而是改從上述的獨立程式區來初始，初始完成後也由此區的網路傳輸程式來操控MCU的網路介面（一般為MCU內建的串列傳輸介面，如UART、I2C等），開始自MCU外接收入新的控制程式，然後將新程式燒錄到MCU原有的正規程式記憶體內，最後將MCU的主控權交還給正規程式記憶體內的新版控制程式。

　主控權交還後，獨立程式區也就退至幕後，如同無形、隱形一般，直到下一次又有程式燒錄需求時才會再次現身並再次運用。

▲今日MCU內多內建線上除錯（In-Circuit Debugger；ICD）、JTAG等檢測機制，圖為MAXIM/Dallas Semiconductor的16-bit MCU：MAXQ3120的ICD功能方塊圖。（圖片來源：Maxim-ic.com）

■線上偵錯（JTAG、ICD）

　由於晶片腳位愈來愈多，配置排列上也愈來愈密，過去用外部探針對接腳進行量測檢驗的方法逐漸難行，因此，有了在晶片內建立量測線路，並用少數接腳及串列通訊方式來取代探針檢測，此種邊界掃描（Boundary Scan）架構及測試存取埠等標準稱為JTAG（Joint Test Action Group），國際電子電機標準則為IEEE 1149.1，於1990年首次頒佈。

　因此，接腳數較多的MCU也從善如流，於晶片內就佈設好邊界掃描，並對外提供JTAG標準測試埠以供測試存取、操作，如此MCU正式焊上控制系統後，便可透過JTAG來瞭解各腳位是否確實導通，邏輯是否正確等，讓生產良率的檢測更加方便快速。

附註：JTAG埠主要有5個接腳：TDI（Test Data In）、TDO（Test Data Out）、TCK（Test Clock）、TMS（Test Mode Select）、TRST（Test Reset），其中TRST屬選用，另外資料接腳即便只有一個也依然可行，至於傳輸協定則類似SPI介面。

　JTAG主要是改善生產測試，另外有的MCU也內建線上除錯器（In-Circuit Debugger；ICD）及執行中斷點（Breakpoint），可與外部開發工具程式相搭配，以進行開發上的測試除錯，或現場維修時的檢測。

■結論

　事實上，我們也未盡數說明所有的MCU堅穩特色及加值設計，其他還有更寬裕的工作電壓範疇（如4.5V～5.5V提升成2.2V～5.5V）、更寬裕的工作溫度範疇（從最寬鬆的商用：攝氏0～70度到最高標的軍用：-55～125度），更小的晶片封裝，如Microchip的PIC10/12系列，其接腳僅6、8pin，外觀幾與一顆串列型EEPROM無異，或如Renesas的Tiny系列（M16C/Tiny、H8/300H Tiny、R8C/Tiny）、Atmel的ATtiny（AVR核心）系列等亦訴求嬌小化封裝。

　或是更精省的待機用電、運作用電，如Renesas的Super Low Power系列，如Atmel的AVR Ultra Low Power系列，及Microchip的PICmicro nanoWatt（奈瓦）技術等。另外，在省電模式上也更靈活，在此以AVR為例，其MCU就提供六種用電模態：Idle、ADC Noise Reduction、Power-save、Power-down、Standby、Active。

▲Microchip的最小型8-bit MCU：PIC10F200，其在SOP-23封裝下僅6個腳位，且價格低廉，官方網站的批發報價為每顆0.43美元。（