内容提要
引言
1. 电源电路
硬件设计tips
2. 复位电路
硬件设计tips
3. 时钟电路
硬件设计tips
4. 程序下载和调试接口电路
4.1 BDM接口
4.2 JTAG接口
4.3 SWD接口
硬件设计tips
总结
引言
众所周知，人在世界上生存需要空气、水和食物。那么MCU正常工作需要的最基本电路，也就是最小系统电路是什么呢？答案是电源电路、复位电路和时钟电路以及程序下载调试接口电路。今天我就结合NXP/Freescale的汽车级MCU来给大家详细介绍一下。
1. 电源电路
电源电路是给MCU提供电源的电路，一般包括CPU内核电源(VDD/VCC)、模拟电路模块电源(VDDA)和数字逻辑外设、I/O接口电源(VDD)以及存储器(NVM-Flash--VDDF，DDR RAM--Vddr)电源等，具体根据不同的MCU和封装以及片上外设不同，其电源种类和数量也存在差异。
硬件设计tips：
a. 一般对于每一个电源管脚，都需要设计一个0.1uF的去耦(decouple)电容并就近放在在MCU电源管脚附近(越近越好)，以保证电源供电的稳定性和提高系统的EMC性能。下图为某一S12(X)系列16位MCU的电源电路PCB Layout推荐：
b. 某些MCU内部集成的POR上电复位电路对VDD/VCC的去耦电容(容值大小和温漂一致性)选择有一定的要求满足其POR上电爬升斜率(ramp slew rate)的要求。比如Freescale S08RN系列MCU对电源POR re-arm的要求：
c. 对于MCU的电源芯片选择，不但要考虑其供电能力(对于汽车电子应用，一般根据datasheet计算出MCU最大工作电流，留2~3倍裕量，在500mA以内的选择LDO即可，大于500mA的一般选择DC-DC)和还要考虑其不同电源的上电时序(对于复杂MCU，比如Qorivva MPC57xx系列多核MCU)，需要根据具体的MCU datasheet来选择和设计；
2. 复位电路
MCU一般都有一个RESET复位管脚，一般为低电平有效，其在MCU工作过程中时一个内部弱上拉的双向I/O，即可用通过在该管脚输入一个低电平啦对MCU进行系统复位，同时，当有内部系统复位(POR--上电复位、LVR--低电压检查复位、Clock Mornitor/Lost Reset--时钟监测/丢失复位、Watchdog Timeout Reset--看门狗溢出复位和iligal Address/Instruction Reset--非法地址/指令复位等)产生时，其也将被拉低。所为复位电路就是接在RESET管脚上的外部电路，其要一般由一个上拉电阻(保证MCU正常工作时RESET管脚为高电平)和一个滤波电容(滤除外部干扰，增强MCU的抗干扰能力)组成，上拉电阻为4.7KΩ~10KΩ，电容为0.1uF~0.22uF.
典型的MCU复位电路如下：
硬件设计tips：
a. 关于复位电路的上拉电阻和滤波电容大小的选择，需要根据具体的MCU POR上电复位时序要求以及需要的滤波效果来确定；
b. 当然，很多时候MCU的RESET管脚也与电源芯片的LVR输出管脚或者外部看门狗芯片的复位输出接在一些，这个时候就需要考虑：
电源芯片的LVR阈值和MCU本身的LVR阈值是否阈值，如果电源芯片的LVR阈值高于MCU的LVR阈值，那么MCU就无法正常进入LVI中断；
MCU上电之后需要及时对外部看门狗芯片进行喂狗，以防止其溢出复位，保证MCU正常工作；
3. 时钟电路
MCU的CPU内核和数组逻辑外设都是以触发器为基础的时序电路，需要是中华驱动才能正常工作，所以时钟电路对于MCU来说就像心脏之于人的作用，给MCU提供“心跳”驱动，是十分重要的。虽然大多数MCU内部都集成了内部RC时钟(IRC)可以作为系统时钟使用，但其精度一般做不高，只有10%~1%精度，不能够满足一些高精度的定时器工作需要和高速通信外设的要求，比如汽车电子应用中常用的CAN总线。如果外设需要高精度的定时或者通信参考/同步时钟，这个时候就需要使用外部时钟作为系统时钟源了。
MCU复位之后，在外部时钟电路稳定之前，MCU默认使用内部时钟作为系统参考时钟源，直到用户通过软件配置将其切换为外部时钟源，外部时钟源电路才开始工作。外部时钟源，比如常见的无源晶振电路配合MCU内部的OSC电路一起工作，一般为正玄波信号，其频率高于内部参考时钟，所以其启动时间快，但相对功耗也高(mA级工作电流，内部参考时钟工作电流多为uA级)，因此低功耗模式下，外部时钟源一般处于关闭状态，而内部时钟源用于唤醒源外设。
以下为NXP/Freescale汽车MCU的时钟资源对比：
| MCU系列 | 内部时钟源/精度 | 外部时钟源 |
| S08系列 | 32.768KHz IRC/±2% | 4~20MHz无源晶振 |
| 1KHz 低功耗LPO/~% |
| S12(X)系列 | 1MHZ IRC/±1.3% | 4~16MHz无源晶振/有源时钟(仅S12X系列MCU) |
| 10KHZ低功耗自主时钟ACLK/±5% |
| MagniV s12Z系列 | 1MHZ IRC/±1.3% | 4~20MHz无源晶振 |
| 20KHZ低功耗自主时钟ACLK/±6% |
| Qorivva MPC56xx/57xx系列 | 16MHz FIRC/±5% | 4~16MHz无源晶振/有源时钟和32~40KHz RTC晶振 |
| 128KHz SIRC/±10% |
| KEA系列 | 32.768KHz IRC/±0.8% | 4~24MHz无源晶振(RANGE=0)或者31.25~39.0625KHz RTC晶振(RANGE=1) |
| 1KHz 低功耗LPO/~% |
| S32K系列 | 48MHz FIRC/±1% | 4~40MHz无源晶振/有源时钟 |
| 8MHz SIRC/±3% |
| 128KHz SIRC/±10% | 32.768KHz RTC晶振 |
不同的MCU支持的外部时钟频率和类型有所差异，需要根据datasheet来选择和设计。典型的MCU外部无源晶振(crystal)时钟电路如下，Cx和Cy为负载(load)电容，也称为谐振电容，根据所选晶振频率的不同，一般在几pF~几十pF。RS和RF为时钟串联(serial)电阻和反馈(feedback)电阻，为可选期间。
硬件设计tips：
a. MCU的时钟(Oscillator)参数不同，一般在其datasheet的电气参数中给出，不同的晶振频率对于不同的启动时间，频率越高启动时间越短，但对外的EMC就越差，所以一般选择中间频率，然后通过内部时钟倍频模块(比如PLL)倍频到较高的MCU工作内核频率和总线频率；
b. 在外部时钟电路设计时，为了提高其抗干扰能力建议：在外部晶振电路应该靠近MCU时钟管脚，走线越近越好，且外围覆铜包地。在时钟电路附件减少其他信号走线，特别是高数数字信号走线应该远离时钟电路以避免相互干扰。如下是一个推荐的MCU外部晶振时钟电路推荐PCB Layout：
C. 在内部IRC时钟精度可以满足系统设计要求的情况下，尽量不要使用外部时钟。因为IRC时钟源不但功耗低，其对外的电磁辐射小、可干扰能力强，EMC特性好，同时也可以节省外部时钟电路的成本。
d. 虽然MCU内部集成的PLL/FLL倍频单元可以将时钟倍频到datasheet规定的最大系统时钟和总线时钟频率，但在满足系统设计内核CPU计算速度和外设工作频率的情况下，尽量使用较低的系统时钟和总线时钟。一来可以降低对外的频率辐射，获得较好的EMC特性；二来可以降低MCU系统功耗(频率越高，时序逻辑电路的动态功耗也越大)。
4. 程序下载和调试接口电路
MCU出厂之后默认的用户NVM--EEPROM和Flash中都是空白(全0xFF)的，包括其复位向量都是0xFF，必须要向NVM中下载应用程序，MCU才能正常工作。
不同的MCU，其程序下载和调试电路有所差异，常见的NXP/Freescale汽车级MCU的程序下载和调试接口如下表：
| MCU系列 | 程序下载和调试接口 |
| S08系列 | BDM |
| S12(X)系列 | BDM |
| MagniV s12Z系列 | BDM |
| Qorivva MPC56xx/57xx系列 | JTAG/NEXUS |
| KEA系列 | SWD |
| S32K系列 | JTAG |
4.1. BDM接口
BDM--Background Debug Module，背景调试接口是Freescale为其8位和16位MCU开的应用程序下载和调试接口。标准的BDM接口为6-pin，个管脚功能定义如下：
| 管脚(#) | 符号定义 | 功能定义 |
| 1 | BKGD | BDM协议同步信号和数据信号(双向通信) |
| 2 | GND | 信号地 |
| 3 | NC/PDO | 悬空，不接/分析(Profiling)数据输出* |
| 4 | RESET | 复位信号 |
| 5 | NC/PDOCLK | 悬空，不接/分析(Profiling)数据输出时钟* |
| 6 | VDD | 目标MCU电源(输出--供电/输入--目标MCU上电检测) |
*仅适用于MagniV S12Z系列MCU
典型的BDM接口电路如下：
4.2. JTAG接口
JTAG--Joint Test Action Group--联合测试工作组，是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA和32位MCU器件等。标准的JTAG接口4条JTAG功能信号线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线，具体定义如下表：
| 符号定义 | 功能定义 |
| TMS | 测试模式选择 |
| TCK | 测试同步时钟 |
| TDI | 测试数据输入(MCU-input, Debugger--output) |
| TDO | 测试数据输出(MCU-output, Debugger--input) |
除了以上JTAG的标准功能信号线之外，其还需要配合电源VCC、地GND和复位信号RESET等才能组成完整的MCU程序下载和调试接口。
在32位MCU中常用的 JTAG 接口的连接有两种标准，即 14 针接口和 20 针接口，不同的系列/内核的MCU其定义稍有差异，以下列出NXP/Freescale 32位汽车级MCU典型的JTAG电路供大家参考：
适用于 Qorivva MPC56xx/57xx系列MCU的14-pin JTAG接口典型电路如下：
适合于ARM Cortex M4F内核的S32K系列MCU和Cortex A5内核的MAC57D5xx(Halo)系列MCU的20-pin JTAG典型电路如下：
除此之外，常用的还有10-pin的JTAG接口，其典型电路如下：
4.3. SWD接口
SWD--Single Wire Debug单线调试，是ARM推出针对其ARM Cortex M系列内核的调试协议，其相较于传统的JTAG调试协议，接口信号线只有2根--单线时钟SWCLK和单线数据输入输出SWDIO，占用MCU的I/O更少，不但设计更加简单，在同样的封装下可提供更多的用户I/O，同时其又与JTAG接口兼容复用，如下表；
| JTAG | SWD | 功能定义 |
| TMS | SWDIO | 单线数据输入输出，用于控制信息数据和调试数据接收以及程序下载串行传输 |
| TCK | SWCLK | 单线时钟，用户通信同步 |
| TDI | 未使用 |
|
| TDO | 未使用 |
|
适合于ARM Cortex M0+内核的KEA和ARM Cortex M4F内核的S32K系列MCU的10-pin SWD典型电路如下：
硬件设计tips：
a. 下载和调试接口电路应该靠近MCU放置，避免过长走线；
b. 尽快BKGD和TMS、TCK、TDI及TDO在MCU内部有弱上电，但还是建议设计下载和调试接口电路在外部加上4.7K~10KΩ的上拉电阻，以保证其工作稳定；
c. 建议在下载和调试接口电路的电源VDD/VCC管脚上加一个0.1uF的滤波电容，以保证电源的稳定；
总结
基于以上介绍，在在遇到上电后MCU不工作(无功能)时，我们就有了查找原因的思路如下：
首先，使用示波器查看MCU各电源是否稳定？
然后，检查RESET复位管脚是否为稳定的高电平？
接着，检查MCU时钟电路是否正常工作，外部晶振是否起振，频率和幅值是否满足datasheet要求？
最后，检查是否下载了正确的应用程序，以及程序下载和调试接口电路是否正常？
对于BDM接口，如果上电过程中，BKGD管脚为低电平，则S08/S12(X)MCU进入BDM调试模式，MCU是不会正常运行内部程序。
对于JTAG/SWD接口，TMS/SWDIO和TCK/SWCLK上的一系列脉冲信号也可能导致MCU进入debug模式，CPU内核和外设无法正常工作；
以上就是今天跟大家分享的内容。希望对大家有用。
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胡恩伟
NXP汽车电子FAE
2017年8月13日于山城·重庆
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