|
|
| PSoC的动态配置能力及其实现方法 |
| 2008年7月8日 15:13
|
引言
随着集成电路应用的飞速发展，片上系统的结构变的越来越复杂，这对嵌入式微控制器（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位微控制器结构简单、代码密度高，是嵌入式系统的重要组成部分。传统的8位MCU结构比较成熟，但是作为嵌入式应用，其各方面性能还远不能令人满意。此外，一般在嵌入式系统的应用中，都需要 使用几十种甚至是更多的模拟或数字外围元器件。熟悉MCU开发的工程师们都知道，在MCU的开发过程中，最需要花时间和精力的就是元器件的选购，以及元器件兼容性方面的考虑。目前在市场上有成千上万不同种外围元器件，设计人员要想从中寻找到适合自己应用的元器件是一件令人头痛的事情。因此，设计工程师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，一方面价格比较昂贵，另一方面需要设计人员具有专门的设计技能。因此，研制一个高效率、外围元器件可嵌入配置的、低功耗的≮位微控制器是很有必要的。
作为ASIC（Application Specific IC）设计方法学中的新技术，SoC始于20世纪90年代中断。1994年Motorola发布的Flex CoreTM系统（用来制作基于68000TM和Power PCTM的定制微处理器）和1995年LSI Logic公司为SONY公司设计的SoC,可能是基于IP(Intellectual Property)核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高ASIC的设计能力，因此发展非常迅速。
PSoC（Programmable System on Chip）是美国Cypress MicroSystems公司于最近推出的新一代功能强大的8位可配置的嵌入式单片机。该系列单片机与传统单片机的根本区别在于其内部集成的数字和模拟block模块，工程师可以根据不同设计要求调用不同的数字和模拟block模块，完成芯片内部的功能设计；实现使用一块芯片就可以配置成具有多种不同外围元器件的微控制器，建立一种可配置嵌入式微控制器；用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。因此，PSoC能够适应非常复杂的实时控制需求，使用它进行产品开发可以大大提高开发效率，降低系统开发的复杂性和费用，同时增强系统的要可靠性和抗干扰能力；因此，它特别适用于各种控制和自动化领域。
1 PSoC的动态配置能力及实现
闪速存储器（Flash Memory）是一类非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory），它即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时其片内信息随丢失。闪速存储器还集合了其它非易失性存储的特点：与EPROM相比较，闪速存储器在系统电可擦除和可重复编程具有明显的优势，它不需要特殊的高电压就可以完成擦除和/或编程操作；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统。
PSoC器件内就集成有一个SONOSTM（硅/氧化氮/氧化硅）工艺制造的闪速存储器，以及快速微控制器（MCU）和SRAM及模拟和数字的可编程阵列模块（即PSoC block）。在PSoC芯片内共有2个256字节的寄存器空间。这些寄存器空间可以用于个性化和参数化设定片上资源和数据读写；通过系统提供的PSoC Designer开发工具，设计人员可以合理地配置数字和模拟PSoC block参数，并且写入PSoC芯片的闪速存储器中，完成PSoC芯片的设计工作。当PSoC芯片工作时，芯片根据已配置的数字和模拟PSoC block参数，完成对寄存器空间设定，配置系统硬件；根据不同的系统需求，设计人员可以改变数字和模拟PSoC block参数的配置，实现多种特定配置的MCU外围元器件的功能。这就是可编程嵌入式片上系统的配置能力。不但如此，PSoC还可以实现动态重新配置，即在运行时，根据系统不同时刻的需求，通过编程动态地改变存储在片内闪速存储器中设定的参数，重新定义系统所需要的功能模块的种类和数量，动态地完成芯片上资源的重新分配，实现新的外围元器件的功能。这就是可编程片上系统的动态重新配置能力（Dynamic ReConfigurability）。
为了节省设计时间及减少重复性劳动，Cypress也提供各种用户模块，在其器件库中存储有多种预设计外围元器件模块。用户通过使用其系统提供的IDE，调用这些功能模块；在功能模块设计方面，在反复考察微控制器上的外围器件和用于典型设计的模拟集成电路基础上，Cypress提供了多种常用的数字和模拟外围器件以供调用。目前在PSoC Designer 3.10版本的外围器件库中包含的用户模块有：
数/模转换器（6位、8位）；
模/数转换器（增量式、Σ-Δ式……）；
放大器（8位、16位、32位）；
计数器（8位、16位、32位）；
定时器（8位、16位、32位）；
滤波器（高通、低通、带通）；
脉宽调制（PWM8、PWM16、PWM32）；
各种数字设备（包括液晶模块、E2PROM）；
通信模块（SPI主、SPI从、TX、RX、UART）；
……
其提供的集成开发环境（IDE）还包含用户模块描述、说明，以及用户指导/代码摘录、应用程序接口API（Application Programming Interface）和中断服务程序ISR（Interrupt Service Routine），不用户调用用户模块时和设备配置表产生时，功能模块被自动插入到工程文件中。设计工程师可以使用API或者ISR以完成用户程序的编制，实现任何定制的应用。
其提供的集成开发环境（IDE）还包含用户模块描述、说明，以及用户指导/代码摘录、应用程序接口API（Application Programming Interface）和中断服务程序ISR（Interrupt Service Routine），当用户调用用户模块时和设备配置表产生时，功能模块被自动插入到工程文件中。设计工程师可以使用API或者ISR以完成用户程序的编制，实现任何定制的应用。
下面利用动态重新配置能力，完成如下功能需求的PSoC芯片设计工作。在不同的时刻，系统需要二套不同功能的外围器件，时刻一是系统需要完成数据的接收工作，时刻二需要完成数据的发 送工作。使用普通的芯片，需要搭建大量的外围电路；这项功能。系统不同时刻需要的带有外围器件的功能需求如图1所示。
要完成此块含有相当丰富功能的微控制器芯片，必须通过应用IDE内的Device Editor完成用户模块的选用及参考配置工作。首先，根据时间先后，划分出基本配置和其它功能配置；在基本配置内必须完成对共有资源（定时器、计数器、模数、数模转换等）的选用、放置和参数配置工作（时钟频率、输入/输出总线、I/O）。然后，完成功能配置要求（半双工UART接收、发送模块功能配置），在各自不同的功能配置中，根据功能要求设定系统参数。
在Application Editor部分产生配置文件，编写应用程序代码。利用程序完成功能配置的装入、卸载工作以及实现相应的功能转换，完成预定的芯片功能。具体的示例程序代码如下：
|
|
第
[1]
[2]
页
下一页
|
|
|
|
|
