融合多種可編程技術(shù)的PSoC

Cypress戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān) Nathan John

簡(jiǎn)介
    有三種類型的可編程技術(shù)對(duì)當(dāng)今工程師開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品的方式造成了巨大的影響.以出現(xiàn)在市場(chǎng)上的先后次序排列,這三類技術(shù)分別是:1)微處理和微控制器;2)可編程邏輯;3)可編程模擬陣列.其中每項(xiàng)技術(shù)所提供的可編程能力都使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電路時(shí)擁有了更新更完全的靈活性和更高的集成度.
    最早的可編程技術(shù)是于30多年前出現(xiàn)的微處理器和微控制器(MPU和MCU).此類器件為設(shè)計(jì)人員提供了利用硬件和軟件的組合來(lái)分割處理問(wèn)題的靈活性.此前,通過(guò)軟件硬件劃分來(lái)處理問(wèn)題僅適用于大型計(jì)算機(jī).分割處理問(wèn)題不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,加快了設(shè)計(jì)時(shí)間,提供了成本更低的解決方案,還提供了在未來(lái)項(xiàng)目中調(diào)整并重新使用原來(lái)設(shè)計(jì)工作的能力.利用這些新技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)此前認(rèn)為不可能的一些產(chǎn)品.
    可編程邏輯的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)人員可容易地在系統(tǒng)中使用復(fù)雜的數(shù)字邏輯,并且不需要象以前那樣采用大量低集成度的邏輯器件.隨著靈活性的增加和集成度的提高,開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短了,而設(shè)計(jì)復(fù)雜性也提高了.可編程邏輯的最新版本,如復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),則進(jìn)一步提高了集成度.
    可編程模擬陣列產(chǎn)品已經(jīng)存在多年了,但直到最近才獲得業(yè)界廣泛接受,這主要是由于出現(xiàn)了更完善的開(kāi)發(fā)工具和現(xiàn)場(chǎng)可編程技術(shù).現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列(FPAA)產(chǎn)品在模擬設(shè)計(jì)方面為工程師提供了更高的靈活性,而且利用此類器件的可編程能力,設(shè)計(jì)中可不再需要掩膜步驟.
    此類器件對(duì)解決應(yīng)用問(wèn)題非常有用.實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題多數(shù)包含以下系統(tǒng)部件之一,如處理器內(nèi)核、數(shù)字邏輯或模擬邏輯.例如,主要由數(shù)字邏輯構(gòu)成的電路可通過(guò)使用可編程邏輯器件獲得最大的好處,但主要由模擬系統(tǒng)單元組成的設(shè)計(jì)則無(wú)法從可編程邏輯器件中獲得同樣的好處.
    不幸的是,許多現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都需要在單個(gè)器件中結(jié)合所有這些類型的系統(tǒng)部件.最近業(yè)界存在一個(gè)趨勢(shì),許多設(shè)計(jì)都開(kāi)始轉(zhuǎn)向片上系統(tǒng)(SoC)方式.這主要是由于工程師希望在單個(gè)器件中集成所有這些器件.根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求創(chuàng)建定制SoC可為設(shè)計(jì)人員提供精確滿足其應(yīng)用需求的靈活性.
    但采用定制SoC有兩個(gè)最大的缺點(diǎn),首先是高昂的一次性工程費(fèi)用(NRE),其次是從產(chǎn)品概念到生產(chǎn)階段需要很長(zhǎng)的前置開(kāi)發(fā)時(shí)間.一類稱為可編程片上系統(tǒng)(PSoC)的新型可編程器件可結(jié)合前述各種可編程器件的優(yōu)點(diǎn),從而為許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供一種平衡解決方案.
    PSoC器件包括可編程邏輯模塊和一個(gè)處理器內(nèi)核.這些器件相互配合提供了傳統(tǒng)SoC所具有的定制能力,但卻避免了一次性工程費(fèi)用過(guò)高和較長(zhǎng)的前置時(shí)間這兩大問(wèn)題.PSoC是用戶可編程的器件,設(shè)計(jì)人員可利用安裝在自己計(jì)算機(jī)中的開(kāi)發(fā)工具對(duì)器件進(jìn)行配置.對(duì)于嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō),PSoC 提供了很大的優(yōu)點(diǎn).因?yàn)榍度胧綉?yīng)用設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要設(shè)計(jì)集成了所有這些系統(tǒng)部件的產(chǎn)品,而同時(shí)又需要滿足苛刻的成本目標(biāo).
PSoC架構(gòu)
    PSoC 架構(gòu)由稱為PSoC模塊的模擬和數(shù)字邏輯模塊構(gòu)成,這些模塊旨在允許用戶實(shí)現(xiàn)范圍廣泛的功能.在設(shè)計(jì)PSoC產(chǎn)品系列時(shí)最重要的步驟之一是要平衡器件成本以及數(shù)字和模擬陣列所提供的靈活性水平.如果數(shù)字和模擬陣列架構(gòu)太通用,器件的靈活性水平會(huì)很高,但成本則會(huì)太高,以致市場(chǎng)難以接受.選擇PSoC架構(gòu)時(shí)在模擬和數(shù)字陣列兩方面都要考慮到這一平衡,從而保證即可提供較高的靈活性又能夠滿足苛刻的成本目標(biāo).
    每個(gè)數(shù)字PSoC模塊都是一個(gè)8位寬的資源.用戶可以將一個(gè)數(shù)字PSoC模塊配置為眾多8位功能中的任意一種.為實(shí)現(xiàn)更大位寬的數(shù)字功能,可以將模塊級(jí)聯(lián)起來(lái)(例如,兩個(gè)模塊可實(shí)現(xiàn)一個(gè)16位定時(shí)器,或者利用三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)24位定時(shí)器).數(shù)字模塊還可實(shí)現(xiàn)多種通信功能,如UART、SPI和紅外通信.需要指出的是,數(shù)字模塊是在功能一級(jí)而不是在門(mén)一級(jí)進(jìn)行編程的.數(shù)字模塊無(wú)  法實(shí)現(xiàn)任意隨機(jī)的數(shù)字邏輯,但其眾多可能配置可以實(shí)現(xiàn)許多數(shù)字功能.
    模擬PSoC模塊基于可編程運(yùn)算放大器.有三種類型的模擬PSoC模塊,每種模塊在運(yùn)放的反饋路徑上有不同的電路器件安排.第一種類型的模擬PSoC模塊采用的是連續(xù)時(shí)間設(shè)計(jì),其中在反饋路徑上有可編程的電阻矩陣.此類模擬PSoC模塊具有高輸入阻抗,對(duì)于設(shè)計(jì)可編程增益或衰減放大器、儀表放大器、濾波器和模擬比較器非常有用.
    其它兩類模擬PSoC模塊在反饋路徑上采用了交換電容器陣列.兩種類型的PSoC模塊在反饋路徑拓?fù)浞矫鎯H有很小的不同,兩種交換電容式PSoC模塊都可構(gòu)成一個(gè)四次濾波器.此類PSoC模塊還可支持逐步逼近型ADC、 ADC和電容式DAC.圖2中給出的是一種開(kāi)關(guān)電容式PSoC模塊的框圖.
開(kāi)發(fā)過(guò)程和開(kāi)發(fā)工具
    將數(shù)字和模擬PSoC模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓δ懿⒉皇欠浅：?jiǎn)單的事情,而開(kāi)發(fā)工具支持對(duì)完成這一工作至關(guān)重要.因此,PSoC器件系列還配套提供"用戶模塊"(User Module)庫(kù)來(lái)幫助用戶完成器件配置.用戶模塊是預(yù)創(chuàng)建預(yù)測(cè)試的可完成特定功能的PSoC配置.典型的數(shù)字用戶模塊是一個(gè)16位PWM,典型的模擬用戶模塊是一個(gè)12位增量ADC.這些用戶模塊使開(kāi)發(fā)人員可集中精力創(chuàng)建最優(yōu)的器件配置,而實(shí)現(xiàn)配置所需要的實(shí)際寄存器位設(shè)置工作則由開(kāi)發(fā)工具完成.
    PSoC器件中還有大量的可編程布線資源,模擬和數(shù)字信號(hào)可利用這些布線資源實(shí)現(xiàn)用戶模塊間的連接.PSoC架構(gòu)與此前的可編程技術(shù)非常不同的一點(diǎn)是可在程序控制下選擇數(shù)字和模擬連接方式.設(shè)計(jì)人員可在器件內(nèi)創(chuàng)建所有信號(hào)鏈,包括對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大、再輸入到濾波器進(jìn)行噪聲抑制、再輸入到ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字值.
    PSoC架構(gòu)還提供了在應(yīng)用開(kāi)發(fā)和使用的不同階段重新配置模擬和數(shù)字PSoC模塊的能力.因此,原來(lái)用來(lái)構(gòu)成UART的兩個(gè)數(shù)字PSoC模塊可以在下一次重新配置為兩個(gè)8位定時(shí)器,或者重新配置為16位偽隨機(jī)序列發(fā)生器.這一"動(dòng)態(tài)重新配置"能力允許用戶重新使用模擬和數(shù)字模塊資源,從而可更好地利用可用的資源.
    為完全利用PSoC架構(gòu)所提供的靈活性,賽普拉斯微系統(tǒng)公司提供了全面的系列開(kāi)發(fā)工具.PSoC Designer 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)軟件允許設(shè)計(jì)人員選擇獨(dú)立的用戶模塊、將模塊布局到器件的硬件資源中,同時(shí)建立所有的互相連接,從而提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)解決方案.PSoC Designer還允許用戶編輯源代碼、編譯和匯編源文件、鏈接整個(gè)項(xiàng)目并為調(diào)試過(guò)程提供支持.
    賽普拉斯微系統(tǒng)公司還提供了功能強(qiáng)大的在電路仿真器(ICE),用于調(diào)試PSoC MCU.ICE仿真器可在24MHz下全速操作、具有 128K字節(jié)的全速跟蹤存儲(chǔ)器和復(fù)雜的斷點(diǎn)設(shè)置能力.
結(jié)論
    文中所討論的每種原有可編程技術(shù)都對(duì)電子行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響.這是由于可編程技術(shù)提高了工程師的生產(chǎn)力,并使許多原來(lái)不可能的設(shè)計(jì)成為可能.PSoC技術(shù)是可編程技術(shù)這一歷史的自然擴(kuò)展,PSoC技術(shù)集成了原來(lái)各種可編程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn).PSoC技術(shù)已經(jīng)對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生了同樣巨大的影響,并使設(shè)計(jì)工程師的創(chuàng)造性提高到了新的水平.