融合多種可編程技術的PSoC

Cypress戰略營銷總監 Nathan John

簡介
    有三種類型的可編程技術對當今工程師開發電子產品的方式造成了巨大的影響.以出現在市場上的先后次序排列,這三類技術分別是:1)微處理和微控制器;2)可編程邏輯;3)可編程模擬陣列.其中每項技術所提供的可編程能力都使設計人員在設計電路時擁有了更新更完全的靈活性和更高的集成度.
    最早的可編程技術是于30多年前出現的微處理器和微控制器(MPU和MCU).此類器件為設計人員提供了利用硬件和軟件的組合來分割處理問題的靈活性.此前,通過軟件硬件劃分來處理問題僅適用于大型計算機.分割處理問題不僅簡化了設計過程,加快了設計時間,提供了成本更低的解決方案,還提供了在未來項目中調整并重新使用原來設計工作的能力.利用這些新技術還可以實現此前認為不可能的一些產品.
    可編程邏輯的出現使設計人員可容易地在系統中使用復雜的數字邏輯,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,開發時間縮短了,而設計復雜性也提高了.可編程邏輯的最新版本,如復雜可編程邏輯器件(CPLD)和現場可編程門陣列(FPGA),則進一步提高了集成度.
    可編程模擬陣列產品已經存在多年了,但直到最近才獲得業界廣泛接受,這主要是由于出現了更完善的開發工具和現場可編程技術.現場可編程模擬陣列(FPAA)產品在模擬設計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,設計中可不再需要掩膜步驟.
    此類器件對解決應用問題非常有用.實際應用問題多數包含以下系統部件之一,如處理器內核、數字邏輯或模擬邏輯.例如,主要由數字邏輯構成的電路可通過使用可編程邏輯器件獲得最大的好處,但主要由模擬系統單元組成的設計則無法從可編程邏輯器件中獲得同樣的好處.
    不幸的是,許多現實系統都需要在單個器件中結合所有這些類型的系統部件.最近業界存在一個趨勢,許多設計都開始轉向片上系統(SoC)方式.這主要是由于工程師希望在單個器件中集成所有這些器件.根據設計人員的要求創建定制SoC可為設計人員提供精確滿足其應用需求的靈活性.
    但采用定制SoC有兩個最大的缺點,首先是高昂的一次性工程費用(NRE),其次是從產品概念到生產階段需要很長的前置開發時間.一類稱為可編程片上系統(PSoC)的新型可編程器件可結合前述各種可編程器件的優點,從而為許多現實應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處理器內核.這些器件相互配合提供了傳統SoC所具有的定制能力,但卻避免了一次性工程費用過高和較長的前置時間這兩大問題.PSoC是用戶可編程的器件,設計人員可利用安裝在自己計算機中的開發工具對器件進行配置.對于嵌入式應用來說,PSoC 提供了很大的優點.因為嵌入式應用設計人員經常需要設計集成了所有這些系統部件的產品,而同時又需要滿足苛刻的成本目標.
PSoC架構
    PSoC 架構由稱為PSoC模塊的模擬和數字邏輯模塊構成,這些模塊旨在允許用戶實現范圍廣泛的功能.在設計PSoC產品系列時最重要的步驟之一是要平衡器件成本以及數字和模擬陣列所提供的靈活性水平.如果數字和模擬陣列架構太通用,器件的靈活性水平會很高,但成本則會太高,以致市場難以接受.選擇PSoC架構時在模擬和數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.
    每個數字PSoC模塊都是一個8位寬的資源.用戶可以將一個數字PSoC模塊配置為眾多8位功能中的任意一種.為實現更大位寬的數字功能,可以將模塊級聯起來(例如,兩個模塊可實現一個16位定時器,或者利用三個模塊實現一個24位定時器).數字模塊還可實現多種通信功能,如UART、SPI和紅外通信.需要指出的是,數字模塊是在功能一級而不是在門一級進行編程的.數字模塊無  法實現任意隨機的數字邏輯,但其眾多可能配置可以實現許多數字功能.
    模擬PSoC模塊基于可編程運算放大器.有三種類型的模擬PSoC模塊,每種模塊在運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模塊采用的是連續時間設計,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,對于設計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模塊在反饋路徑拓撲方面僅有很小的不同,兩種交換電容式PSoC模塊都可構成一個四次濾波器.此類PSoC模塊還可支持逐步逼近型ADC、 ADC和電容式DAC.圖2中給出的是一種開關電容式PSoC模塊的框圖.
開發過程和開發工具
    將數字和模擬PSoC模塊轉變為有用的功能并不是非常簡單的事情,而開發工具支持對完成這一工作至關重要.因此,PSoC器件系列還配套提供"用戶模塊"(User Module)庫來幫助用戶完成器件配置.用戶模塊是預創建預測試的可完成特定功能的PSoC配置.典型的數字用戶模塊是一個16位PWM,典型的模擬用戶模塊是一個12位增量ADC.這些用戶模塊使開發人員可集中精力創建最優的器件配置,而實現配置所需要的實際寄存器位設置工作則由開發工具完成.
    PSoC器件中還有大量的可編程布線資源,模擬和數字信號可利用這些布線資源實現用戶模塊間的連接.PSoC架構與此前的可編程技術非常不同的一點是可在程序控制下選擇數字和模擬連接方式.設計人員可在器件內創建所有信號鏈,包括對來自傳感器的信號進行放大、再輸入到濾波器進行噪聲抑制、再輸入到ADC轉換為數字值.
    PSoC架構還提供了在應用開發和使用的不同階段重新配置模擬和數字PSoC模塊的能力.因此,原來用來構成UART的兩個數字PSoC模塊可以在下一次重新配置為兩個8位定時器,或者重新配置為16位偽隨機序列發生器.這一"動態重新配置"能力允許用戶重新使用模擬和數字模塊資源,從而可更好地利用可用的資源.
    為完全利用PSoC架構所提供的靈活性,賽普拉斯微系統公司提供了全面的系列開發工具.PSoC Designer 集成開發環境(IDE)軟件允許設計人員選擇獨立的用戶模塊、將模塊布局到器件的硬件資源中,同時建立所有的互相連接,從而提供一個系統級解決方案.PSoC Designer還允許用戶編輯源代碼、編譯和匯編源文件、鏈接整個項目并為調試過程提供支持.
    賽普拉斯微系統公司還提供了功能強大的在電路仿真器(ICE),用于調試PSoC MCU.ICE仿真器可在24MHz下全速操作、具有 128K字節的全速跟蹤存儲器和復雜的斷點設置能力.
結論
    文中所討論的每種原有可編程技術都對電子行業產生了巨大的影響.這是由于可編程技術提高了工程師的生產力,并使許多原來不可能的設計成為可能.PSoC技術是可編程技術這一歷史的自然擴展,PSoC技術集成了原來各種可編程技術的優點.PSoC技術已經對市場產生了同樣巨大的影響,并使設計工程師的創造性提高到了新的水平.