PSoC動(dòng)態(tài)配置能力

1、23mi crocontrol lers & embedded systems專(zhuān) 題 論 述to p ic a l d is c u s s的動(dòng)態(tài)配置能力及其實(shí)現(xiàn)方法上海大學(xué)郭 帥 何 永 義摘要關(guān)鍵詞首先闡述公司的可編程片上系統(tǒng)（）的動(dòng)態(tài)配置能力及其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，概要地列出幾種對(duì)微控制器在系統(tǒng)編程（）的方法；在此基礎(chǔ)上分析通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程的軟硬件結(jié)構(gòu)。可編程片上系統(tǒng)在系統(tǒng)編程閃速存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)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(lái) 越 復(fù) 雜 ， 這 對(duì) 嵌 入 式 微 控 制 器(embedded mcu) 的性能提出了更高的要求。和目

2、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(jiǎn)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(kāi)發(fā)的工程師們都知道，在mcu 的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最需要花費(fèi)時(shí)間和精力的就是元器件的選購(gòu)，以及元器件兼容性方面的考慮。目前在市場(chǎng)上有成千上萬(wàn)不同種外圍元器件，設(shè)計(jì)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(jì)工程師的理想方案似乎是采用定制的soc芯片，但是

3、如果采用定制微控制器、asic和 pld器件， 一方面價(jià)格比較昂貴，另一方面需要設(shè)計(jì)人員具有專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)技能。因此，研制一個(gè)高效率、外圍元器件可嵌入配置的、低功耗的8位微控制器是很有必要的。作為 asic （ application specific ic） 設(shè)計(jì)方法學(xué)中的新技術(shù)，soc始于 20世紀(jì) 90年代中期。1994年 motorola發(fā)布的flex coretm 系統(tǒng) （用來(lái)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(jì)的soc，可能是基于 ip（ intellectual property ）核完成s

4、oc設(shè)計(jì)的最早報(bào)導(dǎo)。由于soc可以充分利用已有的設(shè)計(jì)積累，顯著地提高asic 的設(shè)計(jì)能力，因此發(fā)展非常迅速。psoc（ programmable syst em on chip ） 是美國(guó)cypress m icrosystems公司于最近推出的新一代功能強(qiáng)大的 8位可配置的嵌入式單片機(jī)。該系列單片機(jī)與傳統(tǒng)單片機(jī)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(jì)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(jì)； 實(shí)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(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟 / 硬件劃分

5、，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。因此，psoc能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，使用它進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可以大大提高開(kāi)發(fā)效率，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力 ； 因此 ,它特別適用于各種控制和自動(dòng)化領(lǐng)域。 的 動(dòng)態(tài)配置能力及實(shí)現(xiàn)閃速存儲(chǔ)器（flash m emory） 是一類(lèi)非易失性存儲(chǔ)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 dra m 、sram 這類(lèi)易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時(shí)其片內(nèi)信息隨即丟失。閃速存儲(chǔ)器還集合了其它非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)： 與 eprom 相比較，閃速存儲(chǔ)器在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程

6、具有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)器具有成本低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)。psoc器件內(nèi)就集成有一個(gè)sonostm( 硅 / 氧化氮 /氧化硅 )工藝制造的閃速存儲(chǔ)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(gè) 256 字24專(zhuān) 題 論 述to p ic a l d is c u ss節(jié)的寄存器空間。這些寄存器空間可以用于個(gè)性化和參數(shù)化設(shè)定片上資源和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)；通過(guò)系統(tǒng)提供的 psoc desi

7、gner 開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)人員可以合理地配置數(shù)字和模擬psoc block參數(shù)，并且寫(xiě)入psoc芯片的閃速存儲(chǔ)器中，完成 psoc芯片的設(shè)計(jì)工作。當(dāng) psoc芯片工作時(shí)，芯片根據(jù)已配置的數(shù)字和模擬 psoc block 參數(shù)，完成對(duì)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(jì)人員可以改變數(shù)字和模擬psoc block 參數(shù)的配置，實(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重新配置，即在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)不同時(shí)刻的需求，通過(guò)編程動(dòng)態(tài)地改變存儲(chǔ)在片內(nèi)閃速存儲(chǔ)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(lèi)和數(shù)量，動(dòng)態(tài)地

8、完成芯片上資源的重新分配， 實(shí)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(dòng)態(tài)重新配置能力（ dy n amic re-configurability ） 。為了節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間及減少重復(fù)性勞動(dòng)，cypress也提供各種用戶模塊，在其器件庫(kù)中存儲(chǔ)有多種預(yù)設(shè)計(jì)外圍元器件模塊。用戶通過(guò)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(jì)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(jì)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 de-signer 3.10版本的外圍器件庫(kù)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

9、（增量式、 - 式 .） ；放大器 （8 位、 16位、 32位）;計(jì)數(shù)器 （8 位、 16位、 32位）;定時(shí)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(kāi)發(fā)環(huán)境（ ide） 還包含用戶模塊描述、說(shuō)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（ in terrupt service routi

10、n e） ， 當(dāng)用戶調(diào)用用戶模塊時(shí)和設(shè)備配置表產(chǎn)生時(shí)，功能模塊被自動(dòng)插入到工程文件中。設(shè)計(jì)工程師可以使用api 或者 isr 以完成用戶程序的編制，實(shí)現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。下面利用動(dòng)態(tài)重新配置能力，完成如下功能需求的 psoc芯片設(shè)計(jì)工作。在不同的時(shí)刻，系統(tǒng)需要二套不同功能的外圍器件，時(shí)刻一是系統(tǒng)需要完成數(shù)據(jù)的接收工作，時(shí)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；但是使用psoc動(dòng)態(tài)配置功能，就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能。 系統(tǒng)不同時(shí)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(guò)應(yīng)用ide 內(nèi)的 device editor 完

11、成用戶模塊的選用及參數(shù)配置工作。首先， 根據(jù)時(shí)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(duì)共有資源（定時(shí)器、計(jì)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(shí)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(xiě)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(shí)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 ：blk1areate

12、xt(rom ,rel);*_main：callcounter8_1_start ；基本配置calltimer16_1_start;*receiver：；動(dòng)態(tài)完成uart 接收器重新配置工作call loadconfig_receiver；裝入 uart 接收配置psoc微控制器 a低通濾波器rx816位定時(shí)器8位計(jì)數(shù)器8位-adc6位d/apsoc微控制器 b低通濾波器tx816位定時(shí)器8位計(jì)數(shù)器8位 -adc6位d/a圖 25mi crocontrol lers & embedded systems專(zhuān) 題 論 述to p ic a l d is c u s scall rx8_1_

13、start；啟動(dòng) rx 模塊工作receiverloop ：tst regrx8_1_control_reg,rx8_rx_com plete；測(cè)試接收jz receiverloop；判斷完成call brx8_1_readrxdata；讀寫(xiě)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)mov rxdata ， a;*transmitter ：；動(dòng)態(tài)完成uart 發(fā)送器重新配置工作call loadconfig_transmi tter ；裝入 uart 發(fā)送配置call tx8_1_start；啟動(dòng) tx 模塊工作inc rxdatamov a,rxdata；準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送call tx8_1_senddata；發(fā)送數(shù)據(jù);*tra

14、nsmit terloop ：tst regtx8_1_control_reg,tx8_tx_complete；測(cè)試發(fā)送jz transmitt erloop；判斷完成jmp receiver；返回?cái)?shù)據(jù)接收通過(guò)應(yīng)用ide，就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)以上特定的mcu 的需求，根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)展過(guò)程和功能需求的改變，對(duì) psoc微控制器進(jìn)行配置和重新配置。因此，psoc可以降低成本，擴(kuò)大psoc資源利用率，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)或重復(fù)實(shí)現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。 在系統(tǒng)編程通過(guò)以上討論，了解了psoc的動(dòng)態(tài)重新配置能力；但在實(shí)際應(yīng)用中，我們常常必須在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成對(duì)psoc的重新配置。因此， 在系統(tǒng)編程(isp)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中顯得尤為

15、重要。所謂在系統(tǒng)編程(isp)就是一種可以讓最終用戶對(duì)已經(jīng)安裝在電路板上的設(shè)備進(jìn)行編程和重新編程的技術(shù)。它可以允許在制造過(guò)程和應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行對(duì)微控制器編程。psoc芯片內(nèi)部提供一個(gè)包含二個(gè)引腳的特殊串行接口， 使用它們可以發(fā)送和接收來(lái)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(hào)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 desig ner 內(nèi)選定編程模式， 就可以通過(guò)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

16、號(hào) ； 在設(shè)備電源循環(huán)編程目標(biāo)板消耗的電流不能超過(guò) 300 ma,否則會(huì)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(jiǎn)單地對(duì)psoc芯片實(shí)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(lái)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(xiě)。通過(guò)使用psoc片內(nèi)提供管理員rom 和重新配置的應(yīng)用來(lái)解決此isp代碼編寫(xiě)的問(wèn)題。用戶編寫(xiě)isp代碼存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)，它將重新配置psoc mcu 系統(tǒng)，通過(guò)

17、特定的接口與主機(jī)通信，接收來(lái)自于此接口的數(shù)據(jù)包，然后對(duì)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(shí)，isp應(yīng)用代碼不可以覆蓋。用戶新的代碼可以對(duì)isp代碼進(jìn)行調(diào)用。圖 3 是一個(gè)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(jī)通過(guò)串口對(duì)芯片進(jìn)行編程。p0.4 和 p0.6用作 txd 和 rxd。因此在isp應(yīng)用過(guò)程中， psoc mcu 配置此2 個(gè)引腳作為通信引腳，并且與內(nèi)部uart 模塊相聯(lián)

18、，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(gè)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(cè)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(cè)按鈕狀態(tài)。具體的程序流程如圖4所示。結(jié)語(yǔ)psoc的動(dòng)態(tài)配置能力給開(kāi)發(fā)者提供了快速方便的編程和開(kāi)發(fā)方法，同時(shí)也為單片機(jī)的應(yīng)用開(kāi)拓并行電纜icepod電纜y編程器目標(biāo)板psoc圖 26專(zhuān) 題 論 述to p ic a l d is c u ssp0.7p0.5p0.3p0.1p2.7p2.5p2.3p2.1smpp1.7p1.5p1.3vccp0.6p0.4p0.2p0.0p2.6p2.4p2.2p2.0xresp1.6p1.4123456789101112282726252423222120191817p1.1vssp1.2p1.013141615r3cy8c26443c4s1r 1vccc1+c1c2+c2t1int2int3int4int5inr1outvccforceoffv+vt1outt2outt3outt4outt5outr1in282513242322191721261427456710128r2out