融合多種可編程技術(shù)的PSoC

Cypress戰(zhàn)略營銷總監(jiān) Nathan John

簡介
    有三種類型的可編程技術(shù)對當今工程師開發(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.其中每項技術(shù)所提供的可編程能力都使設(shè)計人員在設(shè)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(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(shè)計過程,加快了設(shè)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(diào)整并重新使用原來設(shè)計工作的能力.利用這些新技術(shù)還可以實現(xiàn)此前認為不可能的一些產(chǎn)品.
    可編程邏輯的出現(xiàn)使設(shè)計人員可容易地在系統(tǒng)中使用復雜的數(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,開發(fā)時間縮短了,而設(shè)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(xiàn)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(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)了更完善的開發(fā)工具和現(xiàn)場可編程技術(shù).現(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)產(chǎn)品在模擬設(shè)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(shè)計中可不再需要掩膜步驟.
    此類器件對解決應(yīng)用問題非常有用.實際應(yīng)用問題多數(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(xiàn)實系統(tǒng)都需要在單個器件中結(jié)合所有這些類型的系統(tǒng)部件.最近業(yè)界存在一個趨勢,許多設(shè)計都開始轉(zhuǎn)向片上系統(tǒng)(SoC)方式.這主要是由于工程師希望在單個器件中集成所有這些器件.根據(jù)設(shè)計人員的要求創(chuàng)建定制SoC可為設(shè)計人員提供精確滿足其應(yīng)用需求的靈活性.
    但采用定制SoC有兩個最大的缺點,首先是高昂的一次性工程費用(NRE),其次是從產(chǎn)品概念到生產(chǎn)階段需要很長的前置開發(fā)時間.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,從而為許多現(xiàn)實應(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(shè)計人員可利用安裝在自己計算機中的開發(fā)工具對器件進行配置.對于嵌入式應(yīng)用來說,PSoC 提供了很大的優(yōu)點.因為嵌入式應(yīng)用設(shè)計人員經(jīng)常需要設(shè)計集成了所有這些系統(tǒng)部件的產(chǎn)品,而同時又需要滿足苛刻的成本目標.
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現(xiàn)范圍廣泛的功能.在設(shè)計PSoC產(chǎn)品系列時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很高,但成本則會太高,以致市場難以接受.選擇PSoC架構(gòu)時在模擬和數(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.
    每個數(shù)字PSoC模塊都是一個8位寬的資源.用戶可以將一個數(shù)字PSoC模塊配置為眾多8位功能中的任意一種.為實現(xiàn)更大位寬的數(shù)字功能,可以將模塊級聯(lián)起來(例如,兩個模塊可實現(xiàn)一個16位定時器,或者利用三個模塊實現(xiàn)一個24位定時器).數(shù)字模塊還可實現(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而不是在門一級進行編程的.數(shù)字模塊無  法實現(xiàn)任意隨機的數(shù)字邏輯,但其眾多可能配置可以實現(xiàn)許多數(shù)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(xù)時間設(shè)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(shè)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(gòu)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(guān)電容式PSoC模塊的框圖.
開發(fā)過程和開發(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：唵蔚氖虑?而開發(fā)工具支持對完成這一工作至關(guān)重要.因此,PSoC器件系列還配套提供"用戶模塊"(User Module)庫來幫助用戶完成器件配置.用戶模塊是預創(chuàng)建預測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(fā)人員可集中精力創(chuàng)建最優(yōu)的器件配置,而實現(xiàn)配置所需要的實際寄存器位設(shè)置工作則由開發(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)字信號可利用這些布線資源實現(xiàn)用戶模塊間的連接.PSoC架構(gòu)與此前的可編程技術(shù)非常不同的一點是可在程序控制下選擇數(shù)字和模擬連接方式.設(shè)計人員可在器件內(nèi)創(chuàng)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(zhuǎn)換為數(shù)字值.
    PSoC架構(gòu)還提供了在應(yīng)用開發(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,原來用來構(gòu)成UART的兩個數(shù)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(fā)生器.這一"動態(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發(fā)工具.PSoC Designer 集成開發(fā)環(huán)境(IDE)軟件允許設(shè)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(tǒng)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(diào)試過程提供支持.
    賽普拉斯微系統(tǒng)公司還提供了功能強大的在電路仿真器(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)的全速跟蹤存儲器和復雜的斷點設(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,并使許多原來不可能的設(shè)計成為可能.PSoC技術(shù)是可編程技術(shù)這一歷史的自然擴展,PSoC技術(shù)集成了原來各種可編程技術(shù)的優(yōu)點.PSoC技術(shù)已經(jīng)對市場產(chǎn)生了同樣巨大的影響,并使設(shè)計工程師的創(chuàng)造性提高到了新的水平.