PSoC Creator簡(jiǎn)化可編程器件上的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

采用嵌入式CPU內(nèi)核的可編程器件為應(yīng)對(duì)各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提供了有效途徑，而這些挑戰(zhàn)僅僅通過(guò)軟件或硬件的方法可謂舉步維艱，或者說(shuō)解決成本非常高昂。這些器件結(jié)合了能再編程的數(shù)字與模擬硬件資源，能提供您切實(shí)所需的功能。此外，設(shè)計(jì)工具能消除與可編程邏輯通常相關(guān)的大多數(shù)復(fù)雜性問(wèn)題。例如，賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的PSoC Creator就是專為簡(jiǎn)化上述工作而精心設(shè)計(jì)的。借助PSoC Creator，用戶不必一定要有完美的電路設(shè)計(jì)，僅需提供相關(guān)的設(shè)計(jì)元素即可，有點(diǎn)像在白板上繪畫(huà)的感覺(jué)。隨后，該工具能提供外設(shè)模塊（即組件）的最佳布局和布線方案，并設(shè)置所需的時(shí)鐘和電源配置，進(jìn)而為用戶優(yōu)化設(shè)計(jì)。

下面以采用PSoC Creator進(jìn)行設(shè)計(jì)為例，給出了如何在無(wú)需軟件工程師而成為硬件專家的情況下協(xié)助開(kāi)展軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。作為一款混合信號(hào)器件，PSoC包含集成型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可用于將電壓（或電流）輸出到引腳或器件的其它部分。大家可將兩個(gè)組件拖放到原理圖上，并通過(guò)線路將其連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)將DAC連接到引腳上。僅需幾秒鐘即能對(duì)組件進(jìn)行定位，并將其復(fù)制到原理圖上。

圖1：采用PSoC Creator將DAC輸出連接到模擬引腳

請(qǐng)注意，DAC沒(méi)有“輸入”，也就是既沒(méi)有電源線路和Vref輸入，也沒(méi)有繁雜得可怕的總線接口問(wèn)題，有的只是一個(gè)可連線至引腳的統(tǒng)一供電電壓源。另外，引腳同樣也非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上，PSoC引腳能通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)模式支持令人炫目的GPIO、SIO和模擬功能組合，此外還提供啟用和同步等特性。但是，我們?cè)诖耸褂玫哪M引腳已針對(duì)您的需求將物理引腳配置就緒，因而無(wú)需擔(dān)心如何在不影響DAC信號(hào)的情況下安全地關(guān)閉有關(guān)特性。

讓設(shè)計(jì)人員與潛在混亂的低層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)相隔離，這一理念是PSoC Creator設(shè)計(jì)方案的核心，能幫助設(shè)計(jì)人員將精力集中在功能設(shè)計(jì)上。該工具可提供經(jīng)全面驗(yàn)證的一整套200個(gè)組件，其中包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、DAC和放大器；UART與I2C以及PWM和定時(shí)器等，這些與傳統(tǒng)原理圖捕獲工具中的原始IP模塊相比，擁有高得多的易用性。在這些組件中，我們將實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行了抽象化，而且設(shè)計(jì)項(xiàng)目能夠確保第一次就無(wú)差錯(cuò)。用戶可在參數(shù)編輯器（即定制器對(duì)話框）中選擇功能，而工具則決定實(shí)現(xiàn)用戶要求所需的器件配置。大家所要做的就是，將組件放到頁(yè)面上，并雙擊進(jìn)行定制器選擇即可。

下面以UART為例進(jìn)行說(shuō)明。這通常是以固件為導(dǎo)向的組件，因而定制器提供的配置選項(xiàng)非常便于工程師開(kāi)展工作。您要做的不是考慮時(shí)鐘輸入和過(guò)采樣速率，而是直接考慮需要什么樣的波特率，這樣工具就能自動(dòng)創(chuàng)建可為組件提供相應(yīng)頻率的時(shí)鐘源。

圖2：配置UART組件。請(qǐng)注意，選項(xiàng)與功能相關(guān)而不是與外設(shè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)。

為什么不是所有工具都能采用這種工作原理？作為器件的制造商，我們已經(jīng)知道如何才能解決這些問(wèn)題了。為什么要迫使用戶來(lái)做這些設(shè)計(jì)工作？設(shè)計(jì)選擇應(yīng)作為選項(xiàng)提供，而不是成為設(shè)計(jì)障礙。以硅芯片硬件為核心的設(shè)計(jì)方法過(guò)于低級(jí)別，工程師不值得在這上面耗費(fèi)精力?？删幊蘏oC用戶需要比傳統(tǒng)工具更高級(jí)的設(shè)計(jì)。在PSoC Creator中，用戶可邏輯布局所需的功能，并用工具將此轉(zhuǎn)換為特定的器件配置。用戶可直接通過(guò)參數(shù)來(lái)設(shè)置外設(shè)行為。

帶集成型CPU的可編程器件需要獲得也集成了軟硬件開(kāi)發(fā)任務(wù)的工具的支持。以硅芯片為核心的工具的另一個(gè)原有問(wèn)題就是，軟件工程師通常不得不使用他們不太喜歡的工具，而且還必須應(yīng)對(duì)原始存儲(chǔ)器和寄存器級(jí)外設(shè)接口等問(wèn)題。換言之，沒(méi)有正確的軟件工具，可編程SoC只能讓硬件設(shè)計(jì)人員受益，而軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)則比較“倒霉”。在硬件方面，不但工作進(jìn)展會(huì)大幅加速，而且風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)降到最低，尤其是跟ASIC流程相比更是如此，但確保設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)的壓力卻被轉(zhuǎn)嫁給了軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。

圖3：PSoC Creator IDE，左側(cè)為工作區(qū)資源管理器（Workspace Explorer），中間為原理圖編輯器，右側(cè)為組件目錄。

此外，PSoC Creator還能將工程師從開(kāi)發(fā)自己的SoC功能接口工作中解放出來(lái)，讓他們能選擇集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）來(lái)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。幾乎所有的組件都有軟件接口（LUT、邏輯門(mén)和多路復(fù)用器等低級(jí)組件例外），這就使得通過(guò)C語(yǔ)言代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)外設(shè)變得非常簡(jiǎn)便。我們并非意在提供一系列存儲(chǔ)器映射的寄存器再加上晦澀難懂的比特位字段和通常無(wú)文檔記錄的負(fù)面效應(yīng)，而是在C語(yǔ)言API調(diào)用中讓組件綁定典型功能。要啟動(dòng)定時(shí)器運(yùn)行，用戶可調(diào)用Timer_1_Start()等API。（您不必猜測(cè)如何停止。）通過(guò)使用Timer_1_ReadCounter()的返回值即可讀取定時(shí)器的當(dāng)前值。一旦熟悉了API的這種風(fēng)格，您通常就能猜出從未使用過(guò)的組件的API名稱。如果您沒(méi)猜對(duì)，那么始終可以參考定制器對(duì)話框中完整的數(shù)據(jù)表或右鍵點(diǎn)擊組件查詢。

您或許已經(jīng)注意到以上API示例中的“_1_”。它提示了API在工具中的生成方式。您拖放（或拷貝粘貼）到設(shè)計(jì)中的每個(gè)組件都具有唯一的名稱。該名稱默認(rèn)為組件的基礎(chǔ)名稱，如“UART”，而“_n”作為后綴說(shuō)明這是相同組件的多個(gè)實(shí)例之一。用戶能根據(jù)需求在定制器對(duì)話框中更改名稱。在上面的例子中，我刪除了下劃線部分，因?yàn)轫?xiàng)目中只有一個(gè)UART，因而加上這個(gè)數(shù)字是多余的。如果您按下“創(chuàng)建”按鈕或F6鍵，那么工具會(huì)為原理圖中的所有組件生成API文件。組件實(shí)例名稱始終是附在所生成的API上。

一旦完成了硬件設(shè)計(jì)，固件開(kāi)發(fā)就能獲得內(nèi)置調(diào)試器的支持。用戶可通過(guò)常見(jiàn)的JTAG或SWG接口連接至目標(biāo)器件。賽普拉斯開(kāi)發(fā)套件包含板上調(diào)試芯片（當(dāng)然也是另一個(gè)PSoC），其取代了傳統(tǒng)的調(diào)試器探詢。用戶連接上USB線纜就能啟動(dòng)調(diào)試工作。用戶針對(duì)自己的硬件，可以購(gòu)買(mǎi)比較便宜的MiniProg3調(diào)試器探針，以連接到標(biāo)準(zhǔn)的10引腳報(bào)頭上。

所有組件API都可作為C語(yǔ)言中的源代碼提供，從而使調(diào)試軟硬件互動(dòng)變得非常簡(jiǎn)單。構(gòu)造中不包含庫(kù)，因而用戶無(wú)需查詢Web頁(yè)面來(lái)查找設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（似乎總有針對(duì)其它器件的）。對(duì)于斷點(diǎn)放置和調(diào)試過(guò)程中的代碼步進(jìn)也沒(méi)有限制。用戶在調(diào)試組件行為時(shí)幾乎不需要切換到匯編器視圖。

賽普拉斯認(rèn)識(shí)到，不是所有軟件工程師都希望或能夠轉(zhuǎn)為采用PSoC Creator環(huán)境。多年來(lái)，獨(dú)立的嵌入式開(kāi)發(fā)軟件IDE廠商一直在完善工具，同時(shí)他們還能提供可加速設(shè)計(jì)周期、降低風(fēng)險(xiǎn)以及擴(kuò)大測(cè)試覆蓋面的眾多高端特性。ARM Ltd的微控制器開(kāi)發(fā)套件（MDK）和IAR Systems的嵌入式工作臺(tái)（Embedded Workbench）工具等，都是這些工具中一些非常好的例子。

當(dāng)前的開(kāi)發(fā)工作往往劃分為軟件和硬件團(tuán)隊(duì)。軟件團(tuán)隊(duì)不見(jiàn)得在同一辦公地點(diǎn)工作，甚至不見(jiàn)得在同一個(gè)國(guó)家工作，他們當(dāng)然不希望工具選擇完全由硬件團(tuán)隊(duì)決定。這不僅僅是個(gè)人偏好的問(wèn)題。公司為工具、調(diào)試解決方案、維護(hù)合同等投入大量時(shí)間和資金，這是工程開(kāi)發(fā)流程中規(guī)劃最完善的組成部分，而且在來(lái)源控制和文檔管理等公司系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高度集成。轉(zhuǎn)而采用新的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境往往是不實(shí)際的。

在此環(huán)境下，較好的方案是將PSoC Creator作為“芯片配置”工具來(lái)使用，而不是取代原有的IDE。硬件工程師可使用此工具生成設(shè)計(jì)以及所有的配置數(shù)據(jù)和API。軟件團(tuán)隊(duì)僅需將這些文件集成到其現(xiàn)有的IDE中，并繼續(xù)按照熟悉的編輯—構(gòu)建—調(diào)試周期進(jìn)行工作。硬件團(tuán)隊(duì)可自行使用PSoC Creator來(lái)構(gòu)建針對(duì)其設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)所用電路板的測(cè)試臺(tái)。您甚至能創(chuàng)建可與軟件團(tuán)隊(duì)共享的電路板支持套件（BSP）或硬件抽象層（HAL），從而簡(jiǎn)化與器件的互動(dòng)機(jī)制，盡可能避免錯(cuò)誤。在“芯片配置”中需要使用多少軟件，完全由您來(lái)決定。

圖4：ARM μVision IDE調(diào)試PSoC項(xiàng)目

把全新的電路板交給軟件工程師來(lái)處理往往會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。這些問(wèn)題肯定是要發(fā)生的，也是整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中最容易產(chǎn)生誤解和挫折感的地方。我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)抑或是經(jīng)歷過(guò)這樣的情況，有人說(shuō)“問(wèn)題是硬件帶的”，而有人則堅(jiān)稱“不，問(wèn)題來(lái)自軟件”。這種意見(jiàn)分歧的根源往往就在于在如何使用硬件方面溝通不暢。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PSoC Creator提供了可生成PSoC設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表的功能。器件配置信息、時(shí)鐘設(shè)置、引腳選擇和所有已生成組件API的描述都直接從工具輸出到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表文件中。文檔由機(jī)器生成，因此不存在剪切粘貼錯(cuò)誤或某個(gè)信息被遺漏的風(fēng)險(xiǎn)。

這只是PSoC Creator功能和如何在現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程中使用它的一個(gè)簡(jiǎn)單概覽。我們認(rèn)為，其針對(duì)采用嵌入式CPU的可編程器件的設(shè)計(jì)問(wèn)題采用了獨(dú)特的基本方法。此外，它還是一款完全免費(fèi)的工具。

多年來(lái)，嵌入式工程師一直都需要為每一個(gè)項(xiàng)目做出明確的方案選擇?；蛟S可以為定制IC進(jìn)行大量投入以確保能夠完美滿足用戶的需求，但這需要好幾個(gè)月的時(shí)間，而且一旦設(shè)計(jì)變成了芯片就無(wú)法改變。此外，您也可以直接采用FPGA開(kāi)始設(shè)計(jì)，這樣做具有非常大的靈活性而且設(shè)計(jì)發(fā)生變動(dòng)時(shí)也可以快速完成，但在單位成本或功耗方面的競(jìng)爭(zhēng)力卻差強(qiáng)人意。當(dāng)然，在兩種情況下，用戶仍然不得不選擇、采購(gòu)和集成CPU，但至少ARM在微控制器內(nèi)核領(lǐng)域的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力已使這一選擇非常簡(jiǎn)單了。但是，您是否需要購(gòu)買(mǎi)內(nèi)核并將其設(shè)計(jì)到您的器件中呢？