芝识课堂：MCU外围电路的重要性与设计要点

在上一期的芝识课堂中，我们跟大家一起学习了Arm Cortex-M3内核的各种基本功能，让大家清晰掌握了其强大性能的来源。不过对一颗MCU来说，性能强大的核心固然重要，外围电路对MCU整体性能的贡献同样不可忽视。一颗MCU主要由处理器、存储器、I／O接口和多个外围电路等组成，外围电路包括定时器（控制时钟）、比较器、模数转换器、电源管理和看门狗等。通过外围电路的优化和高效控制，可以充分发挥处理器内核的性能并降低系统功耗。接下来就带大家深入了解这其中的知识！

东芝MCU一个主打特色就是低功耗。相比于同类内核MCU，东芝通过外围电路的独特设置，在同等处理能力的情况下实现了更低的功耗。精准控制低功耗模式已经成为提升MCU能效的重要手段，在低功耗模式控制下，待机运行模式（包括时钟供给和时钟停止）受到控制，它将外部中断信号转换为高电平有效信号并请求中断，可支持5种中断信号，即高、低、上升沿、下降沿和双沿。详细操作如图1所示。

图1 控制时钟示意

在下图中，可以让大家更清晰地了解到时钟控制如何降低系统功耗，确保某些功能可以继续运行，以实现快速唤醒等功能。从图中大家可以清晰地看到MCU在不同工作状态下可以提供的相关功能。

 

图2 东芝微控制器低功耗模式工作示意

上面只是最简单的低功耗模式工作状态介绍。东芝的部分MCU具有高级低功耗模式，例如可以保存内部数据的备份模式。如图3所示，拥有3个不同的IDLE模式可以提供更多的低功耗工作下的功能选择。

 

图3 多个不同的IDLE模式

仅从低功耗模式的状态，便能够发现外围电路对MCU的性能和功耗非常重要，而各类外围电路对东芝微控制器在不同应用中的价值更是不言而喻。下面芝子带大家来一起探讨↓

M320组

数据传输接口是MCU最基本的应用之一，作为具备高速USB和SD卡主机控制器的MCU，东芝的M320组MCU适用于进行大容量数据的高速处理，例如音频控制微控制器。M320组的外围电路配备了支持USB存储器和SD卡等广泛用于数据输入的控制接口以及各项传输协议标准，使其适合进行大容量数据高速处理。值得一提的是，该系列省去了ROM模块，从而能够进一步降低系统功耗。

图4 M320组外围电路细节示意

M330组

低功耗MCU永远不缺乏应用场合，M330组主打特点就是前面介绍的低功耗应用，其面向的应用领域包括数字电视和各类家电等。根据应用需求，在提供低功耗模式的同时，M330组带有多个定时器、一个串行接口、一个兼容HDMI 1.3 a（CEC）的专用电路和一个远程控制信号处理器（RMC）。其中HDMI的专用电路非常适合在各类数字产品中进行数字电视和高清视频输出控制应用，同时还能降低软件成本。RMC确保了在低功耗运营模式时依然能够接收各类外部控制信号，噪声滤波器可以阻止不必要的打断干扰，同时还可以降低软件解码处理的成本。

图5 M330组外围电路细节示意

M340组

消费级的精确控制是MCU大展拳脚的舞台，主打高精度机械控制的M340组主要面向高清摄像机和数码相机，其外围电路针对相机镜头控制进行了优化，包括用于超声波电机控制的高分辨率PPG输出、12位模数转换器和10位数模转换器。这些模块使M340组具有适用于高精度模拟设备的功能，例如超声波电机控制，因此单独的微控制器便可以对多种机械进行高度精确的同步控制，还有助于减少材料和缩小印刷电路板尺寸。

图6 M340组外围电路细节示意

M360组

具有丰富的串行I／F的M360组面向办公室自动化、AV、工业设备、PC外设和网络设备等产品，因此M360组的外围电路内置了多个串行通道以支持多个传输标准、电源备份模块功能（待机功耗降低）、CAN控制器、USB控制器等功能。这些功能不仅让M360组可以提供广泛的各类接口，还能确保其低功耗模式时不影响工作性能。

图7 M360组外围电路细节示意

M390组

低工作电压是降低系统功耗的有效措施，M390组作为一款可实现1.8 V低压运行的MCU，面向对功耗要求比较高的应用和电池供电设备，以及远程操控设备和游戏主机、AV产品等。因此，该系列外围电路重点集成了一个实时时钟（RTC），即使在微控制器的主电源没有电的情况下，也可以通过副电源独立运行，M390组针对电池驱动／节能系统进行了优化。

图8 M390组的外围电路示意

M370组

电机控制是MCU的重要应用领域之一，M370组非常适合用于需要高可靠性、高工作效率和精准变速控制的直流无刷（BLDC）电机控制应用，如用于家电、空调、泵、售货机和ATM机等。针对这些应用，M370组集成了用于执行电机矢量控制处理的“矢量引擎”硬件以及由单个5 V电源供电的模拟电路（例如外围运算放大器）。东芝自有设计的矢量引擎（Vector Engine，简称VE）作为东芝最先进的电机控制技术，用于电机控制的内置硬件（矢量引擎、电机控制电路、模数转换器）无需软件即可进行通信。矢量控制过程中大量的数学计算可由系统自主完成，从而改善电机控制，减少组件数量，降低能耗和功耗，进一步优化了系统设计空间和成本。

图9 M370组外围电路详细配置

M380组

大功率家电需要低成本数字电路控制，面向冰箱、微波炉、空调等大功率家电的M380组微控制器，内置提供用于电机电路的3相控制的专门PWM单元，采用功率半导体作为控制电路的16位可编程程序脉冲发生器。M380组包含了一个多功能定时器，可以控制家用电器中的电源设备的。它通过一个5 V电源实现电机和IH控制。M380组只需一张芯片便可支持多种家电功能。

图10 M380组外围电路详细配置

审核编辑：黄飞