CN112463678A - 一种可扩展功能的mcu架构 - Google Patents

Abstract

一种可扩展功能的MCU架构，根据MCU芯片的功能不同将其划分为核心控制模块以及外围功能模块，其中，所述核心控制模块包括处理器CPU、系统控制模块、SRAM和ROM；所述外围功能模块包括模拟功能单元、I/O单元和定时器，所述核心控制模块与所述外围功能模块之间采用专用的连接方式进行连接，所述专用的连接方式为：通过一个通讯接口连接一个外围功能专用芯片，以用来自由扩展MCU的功能，从而实现所述外围功能模块能够根据用户需求适配相应的功能块，使得在用户需要多功能的时候不需要再重新设计芯片、再流片等，达到提高产品多样性，以及节约成本的目的。

Description

一种可扩展功能的MCU架构

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种可扩展功能的微控制器架构。

背景技术

Microcontroller(微控制器)又可简称MCU或μC，也有人称为单芯片微控制器(Single Chip Microcontroller)，其为将ROM、SRAM、CPU、I/O集合在同一个芯片中，为不同的应用场合做不同组合控制。如图1所示，为一种MCU的单芯片架构。由于芯片设计一旦完成，芯片的功能(参见图1中浅蓝底色的部分：比如串口的种类、数量，定时器的数量，模拟功能及I/O口的数量)就是固定的。然而随着物联网技术的不断发展,在实际应用中会发现上述单芯片架构的MCU已经不能满足现有的用户需求，存在所述芯片的通用性和灵活性差的技术问题。

目前，如果想要改变现有MCU的某些功能，常用的方法就是花费大量的人力、物力进行重新设计，这样必然会导致芯片设计和制造的成本不断增加。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术的单芯片MCU构架的外设功能固化，从而导致MCU芯片的通用性和灵活性不高的技术问题，提供一种可扩展功能的MCU架构。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种可扩展功能的MCU架构，根据所述MCU的功能不同将其划分为外围功能模块以及核心控制模块，其中，所述外围功能模块包括模拟功能单元、I/O单元和定时器，所述核心控制模块包括处理器CPU、系统控制单元、SRAM和ROM；所述核心控制模块及外围功能模块采用专用的连接方式进行连接，所述专用的连接方式为：通过一个通讯接口连接一个外围功能专用芯片，以用来自由扩展MCU的功能。

优选的，所述通讯接口，可以将所述外围功能专用芯片的功能自动映射到MCU的地址总线上，从而实现CPU访问所述外围功能专用芯片像访问所述MCU中的功能一样简单，进一步地，所述通讯接口为串行外围设备接口SPI。

本发明的有益效果是：可以在MCU设计完成的情况下，根据需求灵活追加外围功能部分，从而提高产品的多样性并能降低设计风险。

附图说明

图1现有常规的MCU单芯片架构；

图2根据本申请实施例示出的一种可扩展功能的MCU芯片架构；

图3根据本申请实施例示出的使用MCU芯片的实现虚拟地址4位扩展到16位的方式；

图4根据本申请实施例示出的一种使用MCU架构设计的CMS32X芯片的结构；

图5根据本申请实施例示出的另一种具体芯片结构；

图6根据本申请实施例示出的使用MCU芯片的一种通讯方式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，为本领域的一种常规的MCU单芯片架构，基于所述的MCU单芯片架构设计，用户可以通过外围的引脚对芯片固有的所有模块进行访问，从而让固化在芯片里的功能模块正常工作。一旦所述固化的功能模块与实际应用场景中的需求无法适配时，只能再添加一颗满足需求的此功能芯片来达到要求，这在多元化，高科技，多样化现代社会的应用中必然存在着局限性，而随着智能物联是今后社会发展的必然趋势，多外围，多功能势必将引领芯片设计架构的新方向，因此，为了解决现有的MCU单芯片架构存在的通用性和灵活性不高的技术问题，本发明提出了一种可扩展功能的MCU芯片设计架构。

如图2所示，为本申请实施例示出的一种可扩展功能的MCU芯片架构，其是在现有MCU单芯片用于实现核心控制模块的基础上，通过在芯片设计中加入一颗多功能晶圆，所述多功能晶圆用于实现适配不同需求的外围功能模块；所述MCU通过规定的通讯方式与所述多功能晶圆之间实现数据和指令的传输。在实际应用中，所述多功能晶圆可选用一颗功能丰富的晶圆，用于实现将现有的4位MCU芯片扩展为16位MCU芯片功能，具体的，可以通过将所述多功能晶圆的通讯引脚和所述MCU的通讯引脚在内部进行连接，再把所述MCU和所述多功能晶圆剩余的引脚连接到芯片的外围，从而实现通过芯片外部的引脚控制所述MCU(核心控制模块)；然后所述MCU接收到外围的指令和数据后判断所述指令是控制所述MCU还是所述多功能晶圆，如果是访问所述MCU，在芯片内部执行同控制单芯片一样的指令和数据；如果指令和数据是访问所述多功能晶圆，则所述MCU会通过所述规定的通讯方式建立与所述多功能晶圆之间的通讯通道，基于所述通讯通道将指令和数据传输给所述多功能晶圆，从而使所述多功能晶圆能够控制它引脚上连接的外围，输出需要的信号。

在系统开始工作时，通过初始化所述MCU以及所述MCU与所述多功能晶圆之间的通讯模块，让所述MCU与所述多功能晶圆之间达成握手信号，接收到握手信号的所述多功能晶圆会处理4位地址到16位所述MCU芯片地址的扩展和映射，如图3所示，然后将虚拟地址匹配到所述MCU芯片的物理地址上，所述MCU将指令发送至对应的虚拟地址就可以直接控制所述多功能晶圆。通过上述的步骤从而实现两颗晶圆的初始化工作。

在工作中，系统如果要访问所述多功能晶圆，系统会在所述MCU中控制通讯模块，然后通过所述通讯模块把控制指令和数据发送至所述多功能晶圆，接收到指令后的所述多功能晶圆再通过相应的指令和数据控制它内部的功能模块，驱动所述MCU芯片对应的外部器件，从而实现各个外围的功能。上述工作方式与常规的MCU单芯片工作方式相比，区别仅在于本申请提供的所述工作方式需要初始化两颗晶圆之间的通讯模块，然后在访问所述多功能晶圆的时候把多功能晶圆的使能打开，从而实现基于所述通讯模块的扩展MCU芯片的功能。

本设计的关键是所述多功能晶圆包含有多种功能模块，用户可以根据自己的需求来分配自己需要的模块，从而实现一颗芯片让不同使用目的的用户都可以正常使用；在用户需要多功能的时候不需要再重新设计芯片、再流片等，从而节省了相当巨大的成本。

如图4所示，为本申请实施例示出的又一MCU架构设计的CMS32X芯片的结构，其中，所述CMS32X芯片为使用本发明设计的其中一款芯片。所述CMS32X芯片采用一个MCU作为主芯片，一个多功能晶圆包含多种功能作为辅助芯片；所述多功能晶圆有各种功能模块，用于驱动各种外围功能块工作，只要使能了多功能晶圆，它就会像正常的芯片一样工作；如果使能了内部的功能模块，内部的功能模块就会打开对应芯片，然后输出各种相关的信号给到外围。这种设计，相当于一块芯片里面有两颗晶圆，两颗晶圆的功能都可以正常工作，用户需要什么功能就分配相应的功能模块，而不再像之前单芯片设计完成后芯片里所有的功能就固定了，也就是说，按照本发明设计出来的芯片，能够适配客户多方面的功能需求，使其更加适合各种功能需要具备的物联网、智能家居、人工智能、工厂自动化等应用领域。

进一步地，图4设计的两颗晶圆之间采用串行外围设备接口(SPI)方式实现通讯，具体的，如图6所示，为本申请实施例示出的使用MCU芯片的一种通讯方式，所述多功能晶圆的中断通过INT脚传输给所述MCU，复位功能通过RESOUT脚来实现复位信号的输入；时钟通过所述MCU给所述多功能晶圆提供；所述MCU的通讯口MOSI与所述多功能晶圆MISO相连接，所述MCU的通讯口MISO与所述多功能晶圆的MOSI相连接，所述MCU的时钟CLK与所述多功能晶圆CLK相连接；一个I/O口控制所述多功能晶圆的使能。

如图5所示，为根据本申请实施例示出的另一种具体芯片结构，通过两颗晶圆实现了将芯片的数字功能和模拟功能独立隔离开来，一颗是主晶圆MCU，作为核心芯片使用数字功能，一颗是具有多功能的晶圆，作为外围功能专用芯片包含模拟功能单元，芯片里面所述两颗晶圆使用常规通讯中的另一种通讯方式来实现，进一步地，所述核心芯片可以使用一颗引脚相对较少，成本较低的芯片；通讯的引脚不限于图4的CMS32X芯片的SPI通讯方式，所述主晶圆MCU和所述多功能的晶圆之间通过常规通讯方式传输指令和数据；地址映射仍然使用图3的方式，然后通过访问虚拟地址实现对芯片的访问和控制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可扩展功能的MCU架构，其特征在于：包括步骤：

S1、根据MCU芯片的功能不同将其划分为核心控制模块以及外围功能模块；所述核心控制模块包括处理器CPU、系统控制单元、SRAM和ROM；所述外围功能模块包括模拟功能单元、I/O单元和定时器；

S2、所述核心控制模块与所述外围功能模块之间采用专用的连接方式进行连接。

2.根据权利要求1所述架构，其特征在于：所述专用连接方式为通过一个通讯接口连接一个外围功能专用芯片，以用来自由扩展MCU的功能。

3.根据权利要求2所述架构，其特征在于：所述模拟功能单元包括：ADC、CMP和/或OPA。

4.根据权利要求3所述架构，其特征在于：所述通讯接口可以将所述外围功能专用芯片的功能自动映射到所述MCU的地址总线上。

5.根据权利要求3所述的架构，其特征在于：所述通讯接口为串行外围设备接口SPI。

6.根据权利要求5所述的架构，其特征在于：所述根据MCU芯片的功能不同将其划分为核心控制模块以及外围功能模块，具体包括：

所述核心控制模块通过采用一个MCU作为主芯片，用以实现MCU核心控制功能，所述外围功能模块，通过一个包含不同功能模块的多功能晶圆作为辅助芯片，用于驱动各种外围功能块工作。

7.根据权利要求6所述的架构，其特征在于：所述通讯接口的连接方式，具体包括：

所述多功能晶圆的中断通过INT脚传输给所述MCU；复位功能通过RESOUT脚来实现复位信号的输入；时钟通过所述MCU给所述多功能晶圆提供；所述MCU的通讯口MOSI与所述多功能晶圆MISO相连接；所述MCU的通讯口MISO与所述多功能晶圆的MOSI相连接；所述MCU的时钟CLK与所述多功能晶圆CLK相连接。

8.根据权利要求4所述架构，其特征在于：所述根据MCU芯片的功能不同将其划分为核心控制模块以及外围功能模块，具体包括：

所述核心控制模块通过采用一颗MCU主晶圆，作为核心芯片使用数字功能；所述外围功能模块，通过采用一颗具有多功能的晶圆，作为外围功能专用芯片，其中，所述外围功能芯片包括所述模拟功能单元。

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