PSoC的動態(tài)配置能力及其實現(xiàn)方法

　　摘要：首先闡述Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)的動態(tài)配置能力及其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，概要地列出幾種對PSoC微控制器在系統(tǒng)編程（ISP）的方法；在此基礎(chǔ)上分析CY8C26443-24PI通過。

    關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng) 在系統(tǒng)編程 閃速存儲器 非易失性存儲器 嵌入式微控制器

引言

　　隨著集成電路應(yīng)用的飛速發(fā)展，片上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變的越來越復(fù)雜，這對嵌入式微控制器（Embedded MCU）的性能提出了更高的要求。和目前的16位甚至32位的微控制器相比，8位微控制器結(jié)構(gòu)簡單、代碼密度高，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的8位MCU結(jié)構(gòu)比較成熟，但是作為嵌入式應(yīng)用，其各方面性能還遠(yuǎn)不能令人滿意。此外，一般在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，都需要 使用幾十種甚至是更多的模擬或數(shù)字外圍元器件。熟悉MCU開發(fā)的工程師們都知道，在MCU的開發(fā)過程中，最需要花時間和精力的就是元器件的選購，以及元器件兼容性方面的考慮。目前在市場上有成千上萬不同種外圍元器件，設(shè)計人員要想從中尋找到適合自己應(yīng)用的元器件是一件令人頭痛的事情。因此，設(shè)計工程師的理想方案似乎是采用定制的SoC芯片，但是如果采用定制微控制器、ASIC和PLD器件，一方面價格比較昂貴，另一方面需要設(shè)計人員具有專門的設(shè)計技能。因此，研制一個高效率、外圍元器件可嵌入配置的、低功耗的≮位微控制器是很有必要的。

　　作為ASIC（Application Specific IC）設(shè)計方法學(xué)中的新技術(shù)，SoC始于20世紀(jì)90年代中斷。1994年Motorola發(fā)布的Flex CoreTM系統(tǒng)（用來制作基于68000TM和Power PCTM的定制微處理器）和1995年LSI Logic公司為SONY公司設(shè)計的SoC,可能是基于IP(Intellectual Property)核完成SoC設(shè)計的最早報導(dǎo)。由于SoC可以充分利用已有的設(shè)計積累，顯著地提高ASIC的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速。

　　PSoC（Programmable System on Chip）是美國Cypress MicroSystems公司于最近推出的新一代功能強大的8位可配置的嵌入式單片機。該系列單片機與傳統(tǒng)單片機的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成的數(shù)字和模擬block模塊，工程師可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬block模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計；實現(xiàn)使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，建立一種可配置嵌入式微控制器；用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。因此，PSoC能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實時控制需求，使用它進行產(chǎn)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費用，同時增強系統(tǒng)的要可靠性和抗干擾能力；因此，它特別適用于各種控制和自動化領(lǐng)域。

1 PSoC的動態(tài)配置能力及實現(xiàn)

　　閃速存儲器（Flash Memory）是一類非易失性存儲器NVM（Non-Volatile Memory），它即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如DRAM、SRAM這類易失性存儲器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時其片內(nèi)信息隨丟失。閃速存儲器還集合了其它非易失性存儲的特點：與EPROM相比較，閃速存儲器在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程具有明顯的優(yōu)勢，它不需要特殊的高電壓就可以完成擦除和/或編程操作；與EEPROM相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點。其獨特的性能使其廣泛地運用于各個領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)。

　　PSoC器件內(nèi)就集成有一個SONOSTM（硅/氧化氮/氧化硅）工藝制造的閃速存儲器，以及快速微控制器（MCU）和SRAM及模擬和數(shù)字的可編程陣列模塊（即PSoC block）。在PSoC芯片內(nèi)共有2個256字節(jié)的寄存器空間。這些寄存器空間可以用于個性化和參數(shù)化設(shè)定片上資源和數(shù)據(jù)讀寫；通過系統(tǒng)提供的PSoC Designer開發(fā)工具，設(shè)計人員可以合理地配置數(shù)字和模擬PSoC block參數(shù)，并且寫入PSoC芯片的閃速存儲器中，完成PSoC芯片的設(shè)計工作。當(dāng)PSoC芯片工作時，芯片根據(jù)已配置的數(shù)字和模擬PSoC block參數(shù)，完成對寄存器空間設(shè)定，配置系統(tǒng)硬件；根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，設(shè)計人員可以改變數(shù)字和模擬PSoC block參數(shù)的配置，實現(xiàn)多種特定配置的MCU外圍元器件的功能。這就是可編程嵌入式片上系統(tǒng)的配置能力。不但如此，PSoC還可以實現(xiàn)動態(tài)重新配置，即在運行時，根據(jù)系統(tǒng)不同時刻的需求，通過編程動態(tài)地改變存儲在片內(nèi)閃速存儲器中設(shè)定的參數(shù)，重新定義系統(tǒng)所需要的功能模塊的種類和數(shù)量，動態(tài)地完成芯片上資源的重新分配，實現(xiàn)新的外圍元器件的功能。這就是可編程片上系統(tǒng)的動態(tài)重新配置能力（Dynamic ReConfigurability）。

　　為了節(jié)省設(shè)計時間及減少重復(fù)性勞動，Cypress也提供各種用戶模塊，在其器件庫中存儲有多種預(yù)設(shè)計外圍元器件模塊。用戶通過使用其系統(tǒng)提供的IDE，調(diào)用這些功能模塊；在功能模塊設(shè)計方面，在反復(fù)考察微控制器上的外圍器件和用于典型設(shè)計的模擬集成電路基礎(chǔ)上，Cypress提供了多種常用的數(shù)字和模擬外圍器件以供調(diào)用。目前在PSoC Designer 3.10版本的外圍器件庫中包含的用戶模塊有：

　　數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（6位、8位）；

　　模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（增量式、Σ-Δ式……）；

　　放大器（8位、16位、32位）；

　　計數(shù)器（8位、16位、32位）；

　　定時器（8位、16位、32位）；

　　濾波器（高通、低通、帶通）；

　　脈寬調(diào)制（PWM8、PWM16、PWM32）；

　　各種數(shù)字設(shè)備（包括液晶模塊、E2PROM）；

　　通信模塊（SPI主、SPI從、TX、RX、UART）；

　　……

　　其提供的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）還包含用戶模塊描述、說明，以及用戶指導(dǎo)/代碼摘錄、應(yīng)用程序接口API（Application Programming Interface）和中斷服務(wù)程序ISR（Interrupt Service Routine），不用戶調(diào)用用戶模塊時和設(shè)備配置表產(chǎn)生時，功能模塊被自動插入到工程文件中。設(shè)計工程師可以使用API或者ISR以完成用戶程序的編制，實現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。

　　其提供的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）還包含用戶模塊描述、說明，以及用戶指導(dǎo)/代碼摘錄、應(yīng)用程序接口API（Application Programming Interface）和中斷服務(wù)程序ISR（Interrupt Service Routine），當(dāng)用戶調(diào)用用戶模塊時和設(shè)備配置表產(chǎn)生時，功能模塊被自動插入到工程文件中。設(shè)計工程師可以使用API或者ISR以完成用戶程序的編制，實現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。

　　下面利用動態(tài)重新配置能力，完成如下功能需求的PSoC芯片設(shè)計工作。在不同的時刻，系統(tǒng)需要二套不同功能的外圍器件，時刻一是系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)的接收工作，時刻二需要完成數(shù)據(jù)的發(fā) 送工作。使用普通的芯片，需要搭建大量的外圍電路；這項功能。系統(tǒng)不同時刻需要的帶有外圍器件的功能需求如圖1所示。

　　要完成此塊含有相當(dāng)豐富功能的微控制器芯片，必須通過應(yīng)用IDE內(nèi)的Device Editor完成用戶模塊的選用及參考配置工作。首先，根據(jù)時間先后，劃分出基本配置和其它功能配置；在基本配置內(nèi)必須完成對共有資源（定時器、計數(shù)器、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換等）的選用、放置和參數(shù)配置工作（時鐘頻率、輸入/輸出總線、I/O）。然后，完成功能配置要求（半雙工UART接收、發(fā)送模塊功能配置），在各自不同的功能配置中，根據(jù)功能要求設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。

　　在Application Editor部分產(chǎn)生配置文件，編寫應(yīng)用程序代碼。利用程序完成功能配置的裝入、卸載工作以及實現(xiàn)相應(yīng)的功能轉(zhuǎn)換，完成預(yù)定的芯片功能。具體的示例程序代碼如下：

；*******************************************

area bss(RAM) ；定義變量

RXdata; blk 1

area text(ROM,REL)

；*********************************************

_main：

call Counter8_1_Start;基本配置

call Timer16_1_Start

……

；*********************************************

receiver：

；動態(tài)完成UART接收器重新配置工作

call LoadConfig_receiver ；裝入UART接收配置

call RX8_1_Start ；啟動RX模塊工作

receiverIoop：

tst reg[RX8_1_CONTROL_REG],

RX8_RX_COMPLETE ;測試接收

jz receiverloop ；判斷完成

call bRX8_1_ReadRxData ；讀寫存儲數(shù)據(jù)

mov [RXdata],A

；*********************************************

transmitter：

；動態(tài)完成UART發(fā)送器重新配置工作

call LoadConfig_transmitter ；裝入UART發(fā)送配置

call TX8_1_Start ；啟動TX模塊工作

inc [RXdata]

mov A,[RXdata] ;準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送

call TX8_1_SendData ；發(fā)送數(shù)據(jù)

；*********************************************

transmitterloop：

tst reg[TX8_1_CONTROL_REG],

TX8_TX_COMPLETE ；測試發(fā)送

jz transmitterloop ;判斷完成

jmp trceiver ；返回數(shù)據(jù)接收

　　通過應(yīng)用IDE，就可以簡單地實現(xiàn)以上特定的MCU的需求，根據(jù)設(shè)計進展過程和功能需求的改變，對PSoC微控制器進行配置和重新配置。因此，PSoC可以降低成本，擴大PSoC資源利用率，簡單實現(xiàn)或重復(fù)實現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。

2 PSoC在系統(tǒng)編程

　　通過以上討論，了解了PSoC的動態(tài)重新配置能力；但在實際應(yīng)用中，我們常常必須在工業(yè)現(xiàn)場完成對PSoC的重新配置。因此，在系統(tǒng)編程(ISP)技術(shù)在實現(xiàn)應(yīng)用中顯著尤為重要。所謂在系統(tǒng)編程（ISP）就是一種可以讓最終用戶對已經(jīng)安裝在電路板上的設(shè)備進行編程和重新編程的技術(shù)。它可以允許在制造過程和應(yīng)用現(xiàn)場中進行對微控制器編程。

　　PSoC芯片內(nèi)部提供一個包含二個引腳的特殊串行接口，使用它們可以發(fā)送和接收來自在系統(tǒng)編程的數(shù)據(jù)。但是這種在系統(tǒng)編程需要使用仿真器作為編程設(shè)備。編程器包含5根信號線(Vcc、GND、Xres、SCLK、DATA)；系統(tǒng)提供兩種編程模式：設(shè)備復(fù)位編程和設(shè)備電源循環(huán)編程。一般推薦使用設(shè)備復(fù)位編程模式。在PSoC Designer內(nèi)選定編程模式，就可以通過圖2的相應(yīng)連接完成在系統(tǒng)編程。要注意的是，在設(shè)備復(fù)位編程模式下不需要Vcc信號；在設(shè)備電源循環(huán)編程目標(biāo)板消耗的電流不能超過300 mA，否則會造成仿真器損壞。

　　使用圖2所提供的系統(tǒng)連接方式，用戶可以非常簡單地對PSoC芯片實現(xiàn)在系統(tǒng)編程。同樣，用戶也可以使用UART接口、并行接口或者用戶自定義的接口來完成ISP編程，但是由于PSoC片內(nèi)不直接提供代碼支持這種應(yīng)用，因此用戶必須自己完成外部應(yīng)用電路及ISP代碼的編寫。通過使用PSoC片內(nèi)提供管理員ROM和重新配置的應(yīng)用來解決此ISP代碼編寫的問題。用戶編寫ISP代碼存儲在片內(nèi)閃存的高端地址空間內(nèi)，不可擦除；用戶代碼存儲在片內(nèi)閃存的低端空間地址空間內(nèi)，當(dāng)ISP代碼執(zhí)行時，它將重新配置PSoC MCU系統(tǒng)，通過特定的接口與主機通信，接收來自于此接口的數(shù)據(jù)包，然后對芯片編程（使用用戶代碼）。編程完成后，PC指針跳回地址0，系統(tǒng)復(fù)位，根據(jù)新的用戶代碼重新配置芯片，用戶可以根據(jù)需要指定用戶代碼和ISP代碼空間大小，但是當(dāng)使用在系統(tǒng)編程時，ISP應(yīng)用代碼不可以覆蓋。用戶新的代碼可以對ISP代碼進行調(diào)用。圖3是一個應(yīng)用UART接口完成ISP應(yīng)用的基本電路。

　　在此電路內(nèi)使用DB9連接器和RS232轉(zhuǎn)換電路完成ISP編程特性。主機通過串口對芯片進行編程。P0.4和P0.6用作TXD和RXD。因此在ISP應(yīng)用過程中，PSoC MCU配置此2個引腳作為通信引腳，并且與內(nèi)部UART模塊相聯(lián)，用戶同樣也可以設(shè)定其它需要的用戶模塊，并設(shè)定一個按鈕以外部觸發(fā)ISP應(yīng)用。用戶在程序內(nèi)增加一部分代碼監(jiān)測按鈕的狀態(tài)，以執(zhí)行ISP應(yīng)用程序。程序內(nèi)可以使用中斷或掃描方式監(jiān)測按鈕狀態(tài)。具體的程序流程如圖4所示。

結(jié)語

　　PSoC的動態(tài)配置能力給開發(fā)者提供了快速方便的編程和開發(fā)方法，同時也為單片機的應(yīng)用開拓了更大的空間。合理地利用片內(nèi)集成的閃速存儲器可以降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此，本MCU結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。