PSoC的动态配置能力及其实现方法

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PSoC的动态配置能力及其实现方法

摘要：首先阐述Cypress公司的可编程片上系统(PSoC)的动态配置能力及其实现结构，概要地列出几种对PSoC微控制器在系统编程（ISP）的方法；在此基础上分析CY8C26443-24PI通过。
   关键词：可编程片上系统 在系统编程 闪速存储器 非易失性存储器 嵌入式微控制器
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：
；*******************************************
area bss(RAM) ；定义变量
RXdata; blk 1
area text(ROM,REL)
；*********************************************
_main：
call Counter8_1_Start;基本配置
call Timer16_1_Start
……
；*********************************************
receiver：
；动态完成UART接收器重新配置工作
call LoadConfig_receiver ；装入UART接收配置
call RX8_1_Start ；启动RX模块工作
receiverIoop：
tst reg[RX8_1_CONTROL_REG],
RX8_RX_COMPLETE ;测试接收
jz receiverloop ；判断完成
call bRX8_1_ReadRxData ；读写存储数据
mov [RXdata],A
；*********************************************
transmitter：
；动态完成UART发送器重新配置工作
call LoadConfig_transmitter ；装入UART发送配置
call TX8_1_Start ；启动TX模块工作
inc [RXdata]
mov A,[RXdata] ;准备数据发送
call TX8_1_SendData ；发送数据
；*********************************************
transmitterloop：
tst reg[TX8_1_CONTROL_REG],
TX8_TX_COMPLETE ；测试发送
jz transmitterloop ;判断完成
jmp trceiver ；返回数据接收

图3
通过应用IDE，就可以简单地实现以上特定的MCU的需求，根据设计进展过程和功能需求的改变，对PSoC微控制器进行配置和重新配置。因此，PSoC可以降低成本，扩大PSoC资源利用率，简单实现或重复实现任何定制的应用。
2 PSoC在系统编程
通过以上讨论，了解了PSoC的动态重新配置能力；但在实际应用中，我们常常必须在工业现场完成对PSoC的重新配置。因此，在系统编程(ISP)技术在实现应用中显著尤为重要。所谓在系统编程（ISP）就是一种可以让最终用户对已经安装在电路板上的设备进行编程和重新编程的技术。它可以允许在制造过程和应用现场中进行对微控制器编程。
PSoC芯片内部提供一个包含二个引脚的特殊串行接口， 使用它们可以发送和接收来自在系统编程的数据。但是这种在系统编程需要使用仿真器作为编程设备。编程器包含5根信号线(Vcc、GND、Xres、SCLK、DATA)；系统提供两种编程模式：设备复位编程和设备电源循环编程。一般推荐使用设备复位编程模式。在PSoC Designer内选定编程模式，就可以通过图2的相应连接完成在系统编程。要注意的是，在设备复位编程模式下不需要Vcc信号；在设备电源循环编程目标板消耗的电流不能超过300 mA，否则会造成仿真器损坏。
使用图2所提供的系统连接方式，用户可以非常简单地对PSoC芯片实现在系统编程。同样，用户也可以使用UART接口、并行接口或者用户自定义的接口来完成ISP编程，但是由于PSoC片内不直接提供代码支持这种应用，因此用户必须自己完成外部应用电路及ISP代码的编写。通过使用PSoC片内提供管理员ROM和重新配置的应用来解决此ISP代码编写的问题。用户编写ISP代码存储在片内闪存的高端地址空间内，不可擦除；用户代码存储在片内闪存的低端空间地址空间内，当ISP代码执行时，它将重新配置PSoC MCU系统，通过特定的接口与主机通信，接收来自于此接口的数据包，然后对芯片编程（使用用户代码）。编程完成后，PC指针跳回地址0，系统复位，根据新的用户代码重新配置芯片，用户可以根据需要指定用户代码和ISP代码空间大小，但是当使用在系统编程时，ISP应用代码不可以覆盖。用户新的代码可以对ISP代码进行调用。图3是一个应用UART接口完成ISP应用的基本电路。
在此电路内使用DB9连接器和RS232转换电路完成ISP编程特性。主机通过串口对芯片进行编程。P0.4和P0.6用作TXD和RXD。因此在ISP应用过程中，PSoC MCU配置此2个引脚作为通信引脚，并且与内部UART模块相联，用户同样也可以设定其它需要的用户模块，并设定一个按钮以外部触发ISP应用。用户在程序内增加一部分代码监测按钮的状态，以执行ISP应用程序。程序内可以使用中断或扫描方式监测按钮状态。具体的程序流程如图4所示。
结语

PSoC的动态配置能力给开发者提供了快速方便的编程和开发方法，同时也为单片机的应用开拓了更大的空间。合理地利用片内集成的闪速存储器可以降低产品开发成本，缩短产品开发周期。因此，本MCU结构具有广阔的应用推广前景。

李小路

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