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PSoC的動(dòng)態(tài)配置能力及其實(shí)現(xiàn)方法

時(shí)間:2023-02-21 00:11:59 電子通信論文 我要投稿
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PSoC的動(dòng)態(tài)配置能力及其實(shí)現(xiàn)方法

摘要:首先闡述Cypress公司的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)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)PSoC微控制器在系統(tǒng)編程(ISP)的方法;在此基礎(chǔ)上分析CY8C26443-24PI通過。
  
  關(guān)鍵詞: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)變的越來越復(fù)雜,這對(duì)嵌入式微控制器(EmbeddedMCU)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位微控制器結(jié)構(gòu)簡單、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開發(fā)的工程師們都知道,在MCU的開發(fā)過程中,最需要花時(shí)間和精力的就是元器件的選購,以及元器件兼容性方面的考慮。目前在市場上有成千上萬不同種外圍元器件,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)人員具有專門的設(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≮位微控制器是很有必要的。
  
  作為ASIC(ApplicationSpecificIC)設(shè)計(jì)方法學(xué)中的新技術(shù),SoC始于20世紀(jì)90年代中斷。1994年Motorola發(fā)布的FlexCoreTM系統(tǒng)(用來制作基于68000TM和PowerPCTM的定制微處理器)和1995年LSILogic公司為SONY公司設(shè)計(jì)的SoC,可能是基于IP(IntellectualProperty)核完成SoC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(ProgrammableSystemonChip)是美國CypressMicroSystems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)功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。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)品開發(fā)可以大大提高開發(fā)效率,降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用,同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的要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。
  
  1PSoC的動(dòng)態(tài)配置能力及實(shí)現(xiàn)
  
  閃速存儲(chǔ)器(FlashMemory)是一類非易失性存儲(chǔ)器NVM(Non-VolatileMemory),它即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息;而諸如DRAM、SRAM這類易失性存儲(chǔ)器,當(dāng)供電電源關(guān)閉時(shí)其片內(nèi)信息隨丟失。閃速存儲(chǔ)器還集合了其它非易失性存儲(chǔ)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)編程具有明顯的優(yōu)勢,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PSoCblock)。在PSoC芯片內(nèi)共有2個(gè)256字節(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;通過系統(tǒng)提供的PSoCDesigner開發(fā)工具,設(shè)計(jì)人員可以合理地配置數(shù)字和模擬PSoCblock參數(shù),并且寫入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PSoCblock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PSoCblock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和數(shù)量,動(dòng)態(tài)地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(DynamicReConfigurability)。
  
  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,在其器件庫中存儲(chǔ)有多種預(yù)設(shè)計(jì)外圍元器件模塊。用戶通過使用其系統(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PSoCDesigner3.10版本的外圍器件庫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(增量式、Σ-Δ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);
  
  ……
  
  其提供的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)還包含用戶模塊描述、說明,以及用戶指導(dǎo)/代碼摘錄、應(yīng)用程序接口API(ApplicationProgrammingInterface)和中斷服務(wù)程序ISR(InterruptServiceRoutine),不用戶調(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。
  
  其提供的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)還包含用戶模塊描述、說明,以及用戶指導(dǎo)/代碼摘錄、應(yīng)用程序接口API(ApplicationProgrammingInterface)和中斷服務(wù)程序ISR(InterruptServiceRoutine),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;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,必須通過應(yīng)用IDE內(nèi)的DeviceEditor完成用戶模塊的選用及參考配置工作。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ApplicationEditor部分產(chǎn)生配置文件,編寫應(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:
  
 。*******************************************
  
  areabss(RAM);定義變量
  
  RXdata;blk1
  
  areatext(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
  
  callLoadConfig_receiver;裝入U(xiǎn)ART接收配置
  
  callRX8_1_Start;啟動(dòng)RX模塊工作
  
  receiverIoop:
  
  tstreg[RX8_1_CONTROL_REG],
  
  RX8_RX_COMPLETE;測試接收
  
  jzreceiverloop;判斷完成
  
  callbRX8_1_ReadRxData;讀寫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
  
  mov[RXdata],A
  
 。*********************************************
  
  
  
  
  transmitter:
  
 。粍(dòng)態(tài)完成UART發(fā)送器重新配置工作
  
  callLoadConfig_transmitter;裝入U(xiǎn)ART發(fā)送配置
  
  callTX8_1_Start;啟動(dòng)TX模塊工作
  
  inc[RXdata]
  
  movA,[RXdata];準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送
  
  callTX8_1_SendData;發(fā)送數(shù)據(jù)
  
  ;*********************************************
  
  transmitterloop:
  
  tstreg[TX8_1_CONTROL_REG],
  
  TX8_TX_COMPLETE;測試發(fā)送
  
  jztransmitterloop;判斷完成
  
  jmptrceiver;返回?cái)?shù)據(jù)接收
  
  圖3
  
  通過應(yīng)用IDE,就可以簡單地實(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,簡單實(shí)現(xiàn)或重復(fù)實(shí)現(xiàn)任何定制的應(yīng)用。
  
  2PSoC在系統(tǒng)編程
  
  通過以上討論,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)現(xiàn)應(yīng)用中顯著尤為重要。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程和應(yīng)用現(xiàn)場中進(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PSoCDesigner內(nèi)選定編程模式,就可以通過圖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300mA,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。通過使用PSoC片內(nèi)提供管理員ROM和重新配置的應(yīng)用來解決此ISP代碼編寫的問題。用戶編寫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PSoCMCU系統(tǒng),通過特定的接口與主機(jī)通信,接收來自于此接口的數(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)用過程中,PSoCMCU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),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)測按鈕狀態(tài)。具體的程序流程如圖4所示。
  
  結(jié)語
  
  PSoC的動(dòng)態(tài)配置能力給開發(fā)者提供了快速方便的編程和開發(fā)方法,同時(shí)也為單片機(jī)的應(yīng)用開拓了更大的空間。合理地利用片內(nèi)集成的閃速存儲(chǔ)器可以降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。因此,本MCU結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。
  
  

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