使用Smart I/O模塊實(shí)現(xiàn)管腳電平數(shù)字邏輯功能和降低CPU負(fù)載

　　摘要

　　在系統(tǒng)集成和電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師常常需要根據(jù)輸入輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)管腳電平數(shù)字邏輯功能。使用外置獨(dú)立邏輯元件通常會(huì)造成物料成本增加，因而不適合低成本系統(tǒng)。此外，微控制器需要具備高效的功率，才能實(shí)現(xiàn)電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間工作。這些問(wèn)題在芯片設(shè)計(jì)層面就可以得到解決，方法是將可編程邏輯模塊添加到輸入輸出端口，以集成與輸入輸出相關(guān)的板級(jí)膠合邏輯功能，并減少微控制器的一些信號(hào)處理任務(wù)，降低設(shè)備功耗。 我們提供了LED控制等應(yīng)用示例，以展示邏輯門在減少物料成本和設(shè)備功耗方面所起的作用。

　　芯片設(shè)計(jì)工程師常常需要根據(jù)輸入輸出信號(hào)(Input and Output, I/O)實(shí)現(xiàn)管腳電平數(shù)字邏輯。例如，系統(tǒng)工程師利用微控制器進(jìn)行時(shí)鐘增殖時(shí)常常需要?jiǎng)?chuàng)建時(shí)鐘樹，將輸入時(shí)鐘輸入至多個(gè)緩沖時(shí)鐘(具有適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力)，和/或倒轉(zhuǎn)時(shí)鐘極性。還有許多場(chǎng)景下，系統(tǒng)工程師必須對(duì)I/O信號(hào)進(jìn)行邏輯組合。 他們通常的方案是利用離散組合邏輯模塊等外置元件實(shí)施最后時(shí)刻的改變，使用“藍(lán)線(blue wire)”將元件連接起來(lái)。這不僅提高了物料成本，而且還會(huì)影響生產(chǎn)PCB時(shí)耗時(shí)的自轉(zhuǎn)步驟。

　　圖 1 MCU + 離散邏輯芯片

　　隨著電池供電設(shè)備的快速增長(zhǎng)，功耗已成為系統(tǒng)工程師關(guān)心的重要問(wèn)題。每節(jié)省一點(diǎn)電能都將延長(zhǎng)電池一次充電的使用時(shí)間。因此，系統(tǒng)工程師嘗試在硬件上完成一些簡(jiǎn)單的I/O信號(hào)處理任務(wù)來(lái)降低CPU負(fù)載——CPU是系統(tǒng)的主要耗電部件。例如，將兩個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸入到異或門，，輸出信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)呼吸燈。兩個(gè)PWM信號(hào)擁有微小的頻率差，頻率差產(chǎn)生的拍頻就是呼吸燈期望的呼吸頻率。在這個(gè)方案中，如果固件中實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行邏輯，CPU將無(wú)需定時(shí)啟動(dòng)。

　　圖2 8個(gè)呼吸燈的硬件實(shí)現(xiàn)

　　今天的微控制器已經(jīng)可以在I/O口上提供可編程邏輯功能以集成板級(jí)膠合邏輯I/O功能，如與門、或門和異或門。圖3顯示了Smart I/O模塊的集成方式。Smart I/O模塊放在微控制器(MCU)的外設(shè)(如TCPWM、UART和 SPI)和I/O口之間的信號(hào)路徑上。I/O口的輸入信號(hào)可以先進(jìn)行邏輯操作，然后路由到MCU的外設(shè)和芯片的連接單元。同樣地，外設(shè)的輸出信號(hào)和芯片的內(nèi)部連接信號(hào)可以先進(jìn)行邏輯操作，然后路由到GPIO端口。Smart I/O模塊甚至可以在低功率模式下運(yùn)行，并在必要時(shí)使用端口中斷喚醒芯片。

　　圖?3.MCU中Smart I/O的示例

　　Smart I/O模塊元件

　　每個(gè)Smart I/O模塊與端口綁定，可以對(duì)該端口輸入輸出信號(hào)進(jìn)行操作。以賽普拉斯的PSoC 4為例，Smart I/O模塊由具有互聯(lián)矩陣的8個(gè)三輸入查找表(Look-Up Table, LUT)組成，如圖4所示。

　　圖4.Smart I/O查找表

　　Smart I/O可利用互聯(lián)矩陣靈活地進(jìn)行互聯(lián)。用戶無(wú)需編寫任何代碼即可配置Smart I/O模塊。MCU設(shè)計(jì)工具鏈(具體到本文情況是PSoC Creator)利用圖形用戶界面(GUI)簡(jiǎn)化了Smart I/O模塊的配置。

　　查找表的輸入輸出信號(hào)可以在GUI的下拉列表中選擇來(lái)輕松配置。Smart I/O查找表的真值表可以通過(guò)限定輸出值為所有可能的輸入組合進(jìn)行配置，如圖5所示：

　　圖5. 在PSoC Creator中配置Smart I/O查找表

　　Smart I/O模塊的應(yīng)用

　　有許多應(yīng)用都可以利用Smart I/O減少物料成本、降低CPU負(fù)載和設(shè)備功耗。下面介紹其中兩個(gè)應(yīng)用：

　　利用Smart I/O實(shí)現(xiàn)邏輯功能-Smart I/O查找表可用作通用邏輯元件來(lái)構(gòu)建定制邏輯功能，比如邏輯門、4線-2線優(yōu)先編碼器、移位寄存器和脈沖干擾濾波器。

　　圖6 是通過(guò)將2個(gè)具有微小頻率差的PWM信號(hào)連接至異或門，實(shí)現(xiàn)一個(gè)呼吸燈。圖7是利用PSoC 4 MCU中的Smart I/O達(dá)到的呼吸燈效果。這里，通過(guò)配置查找表真值表在Smart I/O執(zhí)行異或操作，如圖8所示：

　　圖 6. 使用邏輯門實(shí)現(xiàn)呼吸燈

　　圖7. 利用PSOC 4 Smart I/O實(shí)現(xiàn)呼吸燈效果

　　圖8. 使用Smart I/O實(shí)現(xiàn)異或門

　　模式檢測(cè) – Smart I/O可配置為檢測(cè)輸入信號(hào)具體模式(比如，檢測(cè)是否3路輸入信號(hào)都為低電平)的功能。電池供電嵌入系統(tǒng)將微控制器調(diào)成低功耗模式，當(dāng)指定事件觸發(fā)時(shí)，產(chǎn)生中斷喚醒CPU來(lái)處理事件。

　　在一些應(yīng)用中，必須根據(jù)多個(gè)事件的具體組合來(lái)喚醒設(shè)備和處理事件。今天市場(chǎng)上的MCU要求CPU處于工作狀態(tài)以檢測(cè)模式和處理事件。這導(dǎo)致CPU在每次發(fā)生事件時(shí)都被喚醒以檢查事件的組合，從而增加功耗。

　　Smart I/O可工作在低功耗狀態(tài)中，根據(jù)多個(gè)事件的具體組合喚醒設(shè)備。在圖9的應(yīng)用中，根據(jù)多個(gè)事件的具體組合，MCU從深睡眠中被喚醒。在這種情況下，只有當(dāng)兩個(gè)輸入都處于高電平時(shí)(即處于黑暗且窗口打開)，設(shè)備醒來(lái)，并將傳感器狀態(tài)發(fā)送至接收器或是啟動(dòng)警報(bào)通知用戶關(guān)閉窗口。

　　圖 9. 使用PSoC 4Smart I/O檢測(cè)具體模式

　　該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖10所示。兩個(gè)I/O管腳的輸入信號(hào)在Smart I/O模塊進(jìn)行與操作，然后發(fā)送給CPU喚醒中斷控制器，將設(shè)備從深睡眠中喚醒。只有當(dāng)兩個(gè)條件均為真才喚醒CPU，從而減少設(shè)備功耗，延遲電池壽命。

　　圖10. 檢測(cè)具體的輸入模式 – PSoC Creator的實(shí)現(xiàn)方案

　　圖10. 使用Smart I/O執(zhí)行與門