CN106844285B

CN106844285B - 一种mcu芯片架构系统

Info

Publication number: CN106844285B
Application number: CN201710048217.3A
Authority: CN
Inventors: 张钦
Original assignee: Sino Wealth Microelectronics Co ltd
Current assignee: Sino Wealth Microelectronics Co ltd
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN106844285A

Abstract

本发明提供了一种MCU芯片构架，所述构架包括：专用无线处理芯片和主MCU芯片。其中：所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过SIP方式封装在一起；所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过UART接口进行数据通信和控制；所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片采用相同的JTAG调试接口方式，并都通过绑线打在SIP封装的同一组引脚上，实现共享；所述专用无线处理芯片的射频天线通过绑线打在SIP封装后的相应引脚上引出；所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片的其他功能引脚通过绑线分别按需打在SIP封装后的引脚上。

Description

一种MCU芯片架构系统

技术领域

本发明涉及集成电路芯片领域，特别是涉及一种MCU芯片的架构。

背景技术

随着物联网的兴起，各种应用都开始提出了联网的需求，相应的MCU芯片行业也开始了新一轮的蓬勃发展。无论是传统的电子设备还是新出现的智能设备，在物联网应用的大潮下，都对MCU芯片提出了具备无线连接功能的要求。与传统的解决方案当中将MCU芯片与无线通信芯片搭配一起使用方式相比，集成了无线射频功能的单颗MCU芯片产品则在满足各类应用的联网需求的同时具备明显的成本优势。

单颗具备无线功能的MCU芯片实现方式主要有两种架构：一种是SoC方式进行设计，即整个MCU产品是包含了射频模块在内的单颗芯片；另一种是采用SIP方式进行封装，将一颗MCU芯片与一颗RF射频芯片封装在一起，形成一个新的单颗MCU芯片。前者SoC单芯片架构的MCU芯片相对于后者SIP方式的MCU芯片在同等制程条件下通常具备更好的成本优势，但由于无线射频功能的实现非常依赖于具体的半导体工艺制程，而面向不同应用下的MCU芯片(有高压的，有需要低功耗的，有需要高速的)往往需要采用不同的半导体工艺制程才能实现最合适的性能和成本，意味着当需要采用不同的工艺制程时，SIP方式反倒具有更好的灵活性和甚至更低的总体成本，所以两种方式仍然是各有利弊。

物联网的普及相应要求原有领域的MCU产品都需要进行无线化升级，而应用涉及各行各业，功能和类型都是多种多样，有需要，也就意味着各种不同的应用领域都需要重新设计新的无线化MCU芯片，这对于整个MCU芯片设计行业而言都是一次巨大的机会。但是无论是对于SoC方式还是SIP方式，都需要在原有MCU架构基础上增加相应的无线通信模块，也就是要重新设计新的MCU，这个设计周期往往在9～18个月，并且新产品可能因为制程的更换以及重新设计等因素，稳定性方面也需要时间来验证。因此快速推出稳定的无线MCU芯片方案，对MCU设计公司而言则是机遇和挑战。

发明内容

本发明提供了一种新的MCU芯片架构，通过将一颗专用无线处理芯片与其他现成MCU芯片通过SIP方式封装在一起，构成一颗新的MCU芯片，以适用于物联网不同应用需求。专用无线处理芯片主要针对Wi-Fi和蓝牙等常见的无线通信协议，整合了相应的协议和基带；该专用无线处理芯片具备独立的CPU和RAM、ROM资源，以及UART等标准通信接口实现和另一颗主MCU芯片的通信控制；专用无线处理芯片与另一颗主MCU芯片具备相同的JTAG调试接口，并且通过绑线打在SIP芯片封装的同一组引脚上，方便烧录和调试。外部设备可通过给SIP芯片JTAG调试引脚灌入不同的信号，分别使其内部的专用无线处理芯片和主MCU芯片进入调试模式，以实现分开烧录和调试等处理。采用该架构，可针对日新月异的市场需求变化，快速推出成熟稳定的物联网MCU芯片，有力的提高MCU芯片公司的整体方案解决能力。

本发明提供了一种MCU芯片构架，其特征在于，所述构架包括：

专用无线处理芯片；

主MCU芯片；

其中：

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过SIP方式封装在一起；

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过UART接口进行数据通信和控制；

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片采用相同的JTAG调试接口方式，并都通过绑线打在SIP封装的同一组引脚上，实现共享；

所述专用无线处理芯片的射频天线通过绑线打在SIP封装后的相应引脚上引出；

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片的其他功能引脚通过绑线分别按需打在SIP封装后的引脚上。

所述专用无线处理芯片包括CPU、ROM、RAM、与无线通信协议相关的硬件基带和软件协议栈、至少一组有线通信接口、JTAG模块和调试接口、电源管理模块、无线射频模块和天线接口。

所述专用无线处理芯片的ROM为Flash ROM，可实现固件升级，以满足具体应用的未来升级需求。

在一个实施例中，外部测试设备通过所述MCU芯片构架的JTAG调试引脚灌入不同的信号，分别使所述MCU芯片构架内部的专用无线处理芯片和主MCU芯片进入调试模式，以实现分开烧录和调试处理。

在一个实施例中，所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过有线通信接口进行互联，实现通信和控制。

在一个实施例中，所述有线通信接口为UART接口。

在一个实施例中，所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片的封装可采用并列方式或上下堆叠的方式。

在一个实施例中，所述专用无线处理芯片的JTAG模块和调试接口同时兼容4线、2线和1线三种方式，以适应不同MCU主芯片的JTAG调试接口。

在一个实施例中，所述专用无线处理芯片具备1.8v～5.5v的宽输入电压特性，以满足不同类型应用场景。

在一个实施例中，所述专用无线处理芯片为低功耗，以满足物联网应用对功耗的需求。

本发明还提供了一种针对所述MCU芯片架构的芯片量产测试方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：

外部测试设备对一具有所述MCU芯片构架的SIP芯片上电；

所述外部测试设备给所述SIP芯片的JTAG引脚输入信号序列A，使其内部的所述专用无线处理芯片进入调试模式；

所述外部测试设备对所述专用无线处理芯片进行相应的测试操作；

对所述专用无线处理芯片的测试过程结束后，所述外部测试设备对所述SIP芯片复位并重新上电；

所述外部测试设备给所述SIP芯片的JTAG引脚输入信号序列B，使其内部的所述主MCU芯片进入调试模式；

所述外部测试设备对所述主MCU芯片进行相应的测试操作；

对所述主MCU芯片的测试过程结束后，认为整个所述SIP芯片的测试完成。

本发明的优点是：只需要设计一款专用无线处理芯片，搭配其他现成的MCU芯片，即可实现将现有应用的MCU产品升级为具备无线通信功能的新的MCU产品。采用本发明的MCU芯片架构，不需要重新设计，只需重新封装，并相应增加量产测试相关的流程，即可实现快速推出稳定成熟的无线MCU产品。研发周期大约只需3个月左右，大幅缩短了新产品的上市时间，有效帮助把握市场机会。并且专用无线处理芯片与搭配的MCU芯片各自都采用最合适的工艺制程，以及复用引脚等做法，构建而成的新MCU往往比研发相应的SoC单芯片产品在整体成本上更加具有优势。此外，无线网络处理器还内建了CPU以及Flash类型的ROM存储器，可实现无线协议的固件升级，让产品具有更大的灵活性。而对于不同的无线通信标准，也只需针对每一种无线通信标准，设计一颗相应的专用无线处理芯片即可，然后根据应用领域搭配其他不同的MCU芯片，衍生出一系列无线化新产品。

附图说明

本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1为根据本发明一实施例的专用无线处理芯片的模块结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的MCU芯片架构示意图；

图3为根据本发明一实施例的MCU芯片架构的芯片量产测试流程。

附图标记说明

101 CPU

102 Flash ROM

103 蓝牙基带

104 UART通信模块和接口

105 JTAG模块和调试接口

106 电源管理模块和接口

107 无线射频模块和天线接口

301～307 步骤

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

物联网应用的MCU芯片往往都需要射频无线通信模块，而物联网应用又涉及了各行各业，相应所需的MCU功能和类型都是多种多样，有需要高压的，有需要低功耗的，有需要高速的，不同应用下的MCU往往需要采用不同的工艺制程才能实现最合适的性能和成本，而无线射频模块的实现往往依赖于工艺制程，因此要满足不同应用意味着物联网MCU芯片需要在不同制程下重新设计无线通信部分的模块，这在很大程度上影响了产品的上市时间甚至产品本身的实现可行性。

本发明提供了一种新的MCU芯片架构，通过将一颗专用无线处理芯片与其他现成MCU芯片通过SIP方式封装在一起，构成一颗新的MCU芯片，以适用于物联网不同应用需求。采用该架构，MCU设计公司可在3个月左右时间推出原有MCU芯片的无线化升级版本，满足其所在领域的物联网应用需求，大幅缩短了新产品的上市时间。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

首先，设计一颗或多颗专用无线处理芯片，具有以下特点：

该芯片针对常见的无线通信协议(例如Wi-Fi或蓝牙等)，并集成了相应的软件协议栈和硬件基带；

该芯片具备独立的CPU和RAM、ROM资源，具备网络通信功能和基本的控制和运算处理能力；

该芯片具备至少一组有线通信接口，以实现和其他MCU芯片的数据通信和控制；

该芯片具备集成常见的标准通信协议(例如UART、SPI、I2C等)，可复用同一组通信接口；

该芯片具备一个JTAG调试接口，该接口同时兼容4线、2线和1线三种方式；

该芯片给JTAG引脚输入特定信号序列进入JTAG调试模式，但采用与其他MCU芯片不同的信号序列；

该芯片具备1.8v～5.5v的宽输入电压特性，以满足不同类型应用场景；

该芯片采用低功耗设计，以满足物联网应用对功耗的需求；

该芯片采用Flash类型的ROM，可实现固件升级，以满足具体应用的未来升级需求；

该芯片选用最合适的半导体工艺制程实现，并且无需其他多余的功能模块和IO引脚，以实现性能和成本综合最优；

其次，选定一颗与应用需求相关的MCU芯片作为主MCU芯片，以及选定一颗前述设计好的专用无线处理芯片，将所述主MCU芯片与所述专用无线处理芯片通过SIP方式封装，形成一颗新的MCU芯片，该芯片具有以下结构：

专用无线处理芯片与主MCU芯片通过有线通信接口进行互联，实现通信和控制；

专用无线处理芯片选择与主MCU芯片采用相同的JTAG调试接口方式，通过绑线(芯片封装技术当中采用的导电金属丝线)打在SIP封装后的同一组引脚上，实现共享；

外部设备通过给SIP封装后的新MCU芯片的JTAG调试引脚输入不同的信号，可分别使其内部的专用无线处理芯片和主MCU芯片进入调试模式，以实现分开烧录和测试等相应的操作。

专用无线处理芯片与主MCU芯片的其他功能引脚通过绑线分别按需打在SIP封装后的引脚上；

可选的，专用无线处理芯片与主MCU芯片的封装可采用并列方式或上下堆叠的方式，根据具体情况而定。

图1是根据本发明一个实施例的专用无线处理芯片的模块结构示意图。如图1所示，专用无线处理芯片包括CPU101、Flash ROM102、RAM、蓝牙4.0基带103、UART通信接口104、JTAG模块和调试接口105、电源管理模块106、无线射频模块和天线接口107。

其中，Flash ROM 102是程序存储器，内含蓝牙4.0协议栈和蓝牙数据传输控制程序代码，支持代码烧写和更新。

JTAG调试接口105支持4线、2线以及1线三种调试工作模式，可根据实际的输入信号序列自动切换工作模式。

图2示出根据本发明一实施例的MCU架构示意图。如图2所示，将一颗专用无线处理芯片与一颗主MCU芯片进行SIP封装形成一颗具有无线通信功能的新MCU芯片。

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过UART接口进行数据通信和控制。

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片采用相同的2线JTAG调试接口方式，并都通过绑线打在SIP封装的同一组引脚上，实现共享。

所述专用无线处理芯片的射频天线通过绑线打在SIP封装后的相应引脚上引出。

图3是采用本发明提出SIP封装方式的MCU芯片架构的芯片(以下简称SIP芯片)量产测试流程示意图。

在步骤301中，外部测试设备对所述SIP芯片上电。

在步骤302中，所述外部测试设备给所述SIP芯片的JTAG引脚输入信号序列A，使其内部的专用无线处理芯片进入调试模式；

在步骤303中，所述外部测试设备对所述专用无线处理芯片进行相应的测试操作；

在步骤304中，对所述专用无线处理芯片的测试过程结束后，所述外部测试设备对所述SIP芯片复位并重新上电；

在步骤305中，所述外部测试设备给所述SIP芯片的JTAG引脚输入信号序列B，使其内部的主MCU芯片进入调试模式；

在步骤306中，所述外部测试设备对所述主MCU芯片进行相应的测试操作；

在步骤307中，对所述主MCU芯片的测试过程结束后，认为整个所述SIP芯片的测试完成。

本发明至少具有以下优点：只需要设计一款专用无线处理芯片，搭配其他现成的MCU芯片，即可实现将现有应用的MCU产品升级为具备无线通信功能的新的MCU产品。采用本发明的MCU芯片架构，不需要重新设计，只需重新封装，并相应增加量产测试相关的流程，即可实现快速推出稳定成熟的无线MCU产品。研发周期大约只需3个月左右，大幅缩短了新产品的上市时间，有效帮助把握市场机会。并且专用无线处理芯片与搭配的MCU芯片各自都采用最合适的工艺制程，以及复用引脚等做法，构建而成的新MCU往往比研发相应的SoC单芯片产品在整体成本上更加具有优势。此外，无线网络处理器还内建了CPU以及Flash类型的ROM存储器，可实现无线协议的固件升级，让产品具有更大的灵活性。而对于不同的无线通信标准，也只需针对每一种无线通信标准，设计一颗相应的专用无线处理芯片即可，然后根据应用领域搭配其他不同的MCU芯片，衍生出一系列无线化新产品。

综上所述，采用本发明的SIP方式封装的MCU芯片架构，融合了现有SOC芯片设计以及现有SIP方式的优点的同时，可以不需要对原有MCU进行重新设计，实现原有MCU产品的无线化升级，不仅大幅缩减了产品研发周期和上市时间，并在产品升级方面具有更大的灵活性。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种MCU芯片构架，其特征在于，所述构架包括：

特殊设计的专用无线处理芯片；

主MCU芯片，其中，所述主MCU芯片为现有的；

其中：

所述专用无线处理芯片的特殊设计满足如下：

所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片的其他功能引脚通过绑线分别按需打在SIP封装后的引脚上；

所述专用无线处理芯片包括CPU、ROM、RAM、与无线通信协议相关的硬件基带和软件协议栈、至少一组有线通信接口、JTAG模块和调试接口、电源管理模块、无线射频模块和天线接口；

所述专用无线处理芯片的ROM为Flash ROM，可实现固件升级，以满足具体应用的未来升级需求；

其中，针对所述MCU芯片架构的芯片量产测试方法至少包括以下步骤：

外部测试设备对一具有所述MCU芯片构架的SIP芯片上电；

所述外部测试设备对所述主MCU芯片进行相应的测试操作；

2.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，外部测试设备通过所述MCU芯片构架的JTAG调试引脚灌入不同的信号，分别使所述MCU芯片构架内部的专用无线处理芯片和主MCU芯片进入调试模式，以实现分开烧录和调试处理。

3.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片通过有线通信接口进行互联，实现通信和控制。

4.如权利要求3所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述有线通信接口为UART接口。

5.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片与所述主MCU芯片的封装可采用并列方式或上下堆叠的方式。

6.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片的JTAG模块和调试接口同时兼容4线、2线和1线三种方式，以适应不同MCU主芯片的JTAG调试接口。

7.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片具备1.8v～5.5v的宽输入电压特性，以满足不同类型应用场景。

8.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片为低功耗，以满足物联网应用对功耗的需求。

9.如权利要求1所述的MCU芯片构架，其特征在于，所述专用无线处理芯片选用自身最合适的半导体工艺制程实现，无需一定与所述主MCU芯片工艺制程相同。