ＰＳｏＣ３和ＰＳｏＣ５：可編程嵌入式ＳｏＣ的新時代

王　瑩　李　健

毋庸置疑，SoC是未來嵌入式系統(tǒng)的承載主體，器件可編程化則是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主題，當(dāng)發(fā)展主題和承載主體兩大理念合二為一，一個新的奇跡就此誕生。

PSoC成長奇跡

賽普拉斯半導(dǎo)體(Cypress)公司的PSoC(可編程片上系統(tǒng))，從誕生之日起就經(jīng)歷了驚人的成長歷程。PSoC大規(guī)模的商業(yè)化交付始于2002年，2003／2004年在8位嵌入式MCU(微控制器)市場排名41位，2005／2006年躍居第15位，2007／2008年躍至第11位。2009年3月11日，Cypress宣布PSoC在全球出貨量已達(dá)5億片!

如此市場奇跡緣于各方對PSoC的廣泛認(rèn)可。一些企業(yè)把CapSense作為了追逐的目標(biāo)，CapSense觸摸感應(yīng)芯片目前占PSoC總出貨量的60％。一些專家也關(guān)注到PSoC開發(fā)工具的獨特之處。例如，圖形化嵌入式設(shè)計軟件——PSoC Express 3.0曾榮獲本刊“2007影響中國的嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)獎”，專家認(rèn)為該工具是最先把圖形化設(shè)計方法引入嵌入式設(shè)計業(yè)的產(chǎn)品之一。學(xué)生是接觸新事物最快的群體，在嵌入式系統(tǒng)高校競賽中PSoC頗受青睞，例如去年在某公司舉辦的多核競賽作品展示時，參賽學(xué)生在控制部分采用了PSoC。網(wǎng)友們對PSoC的評價是上手快、應(yīng)用方便，其模擬性能很強，很適合模擬高手采用。

可見，PSoC以獨特的模擬可編程定位成為8位MCU大千世界里的一朵奇葩。但Cypress堅定地認(rèn)為：PSoC不是MCU，是SoC!更確切地說是可編程嵌入式片上系統(tǒng)。Cypress過去主要定位通信市場的存儲、時鐘、數(shù)字邏輯等芯片，2001年網(wǎng)絡(luò)泡沫破滅后，公司轉(zhuǎn)向了消費類電子、工業(yè)等其他新興PSoC事業(yè)部副總裁Gahan Richardson：PSoC 3和PSoC 5將原有市場規(guī)模擴大10倍市場，在此背景下誕生的PSoC何以能在短短幾年內(nèi)獲得巨大成功?MCU與可編程嵌入式片上系統(tǒng)的區(qū)別在哪里?PSoC的下一步發(fā)展方向?qū)⑷绾?

2009年9月14日，PSoC翻開了重要的篇章：在原有PSoC(現(xiàn)在被該公司命名為PSoC 1)的基礎(chǔ)之上，推出兩系列全新架構(gòu)產(chǎn)品：PSoC 3和PSoC5，分別采用8051架構(gòu)和ARM Cortex-M3核，并使模擬和數(shù)字可編程性能大幅提升。借此機會，我們深入理解了PSoC的特點及走向。

天下難事必做于易

我國古人老子說：“天下難事必做于易，天下大事必做于細(xì)?！睆挠脩艚嵌葋碚f，PSoC為設(shè)計者提供了便捷性和靈活性，適合各種電子設(shè)計，可謂化繁為簡。

新推出的PSoC 3和PSoC 5器件都基于市場上通用、較為流行的架構(gòu)或內(nèi)核，為的是方便用戶了解、獲得第三方開發(fā)支持。例如PSoC 3基于8位8051處理器，PSoC 5器件則包含了ARM公司兩三年前在ARM7基礎(chǔ)上優(yōu)化的Cortex-M3處理器。這兩款新產(chǎn)品為設(shè)計者提供了一個無縫的可編程設(shè)計平臺，可以輕松地從Cypress的8位過渡到

16位或32位。除了提供標(biāo)準(zhǔn)的MCU內(nèi)核之外，新的PSoC 3和PSoC5架構(gòu)還包含高精度可編程模擬能力(最高20位分辨率的ADC)以及可擴展的可編程數(shù)字資源，并配有足夠的存儲器和通訊外設(shè)。

“PSoC 3和PSoC 5架構(gòu)擴充了PSoC原有的可編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計平臺，將PSoC的應(yīng)用市場規(guī)模擴大10倍并增至150億美元，涵蓋8、16、32位應(yīng)用和精確模擬市場?！盋ypressPSoC事業(yè)部副總裁Gahan Richardson說，“PSoC 3和PSoC 5能夠在諸如馬達(dá)控制、智能供電和電源管理、人機界面(如CapSense觸摸感應(yīng))、LCD節(jié)段顯示、圖形控制，以及音頻／語音處理、通訊協(xié)議等應(yīng)用中大顯身手。這些新的性能大大地拓展了PSoc的應(yīng)用市場范圍，包括工業(yè)、醫(yī)療、汽車、通訊和消費電子設(shè)備等等。可以說‘PSoC is everywhere，即PSoC可以用于任何電子產(chǎn)品。”

早在幾年前，8位市場已經(jīng)被認(rèn)為量大以至有些過濫，營業(yè)額已經(jīng)難以上升，很多公司紛紛把注意力轉(zhuǎn)移到32位市場。弊和利并不是絕對對立的，Cypress在大力發(fā)掘8位MCU市場中獲益匪淺。

天下大事必做于細(xì)

與一般MCU廠家比較注重MCU部分的策略不同，Cypress注重在可編程模擬部分，增加其產(chǎn)品的價值，在靈活性方面給予客戶更多的選擇。

豐富的模擬資源

pSoC 3和PSoC 5架構(gòu)包含了高精度可編程模擬資源，可以配置為ADC、DAC、TIA、混合器、PGA、運放以及其他模擬器件。除此之外，還包括增強型的基于可編程邏輯的數(shù)字資源，可配置為8、16、24和32位計時器、計數(shù)器、PWM以及更多高級數(shù)字外設(shè)，例如循環(huán)冗余校驗(CRC)、偽隨機順序(PRS)發(fā)生器，以及正交調(diào)幅解碼器。PSoC 3和PSoC 5所擁有的基于PLD的全功能通用邏輯使設(shè)計者們擁有了獨特的能力，可以對這一數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行客戶化設(shè)計。這一新架構(gòu)還支持多種通訊接口，包括全速USB、I²C、SPI、UART、CAN、LIN和I²S(如表1)。

處理器架構(gòu)的提升

基于8051處理器的PSoC 3架構(gòu)運算速度最高可達(dá)33 MIPS(如圖1)；而PSoc 5架構(gòu)則囊括了一個32位ARMCortex-M3處理器，運算速度最高可達(dá)100 DMIPS。因提供了寬泛的0.5～5.5V的電壓范圍和低至200nA的休眠電流，這兩種架構(gòu)均可滿足極低功耗應(yīng)用的要求。PSoC 3和PSoC 5提供了從8位到32位架構(gòu)、具有引腳和API兼容性的無縫可編程設(shè)計平臺，而且擁有可編程通路，允許任何模擬或數(shù)字信號分配到任何通用I／O，從而簡化了電路板布局。這一功能可以將LCD節(jié)段顯示和CapSense信號引至任何GPIO引腳。

PSoC 3可編程精確模擬子系統(tǒng)

·Delta-Sigma ADC精度可達(dá)20位；

·12位SAR ADC的采樣率高達(dá)1Msps；

·在工業(yè)溫度和電壓范圍內(nèi)，參考電壓精確度可達(dá)±0.1％；

·最多4個8位精度、8Msps的DAC：1～50倍PGA；具有25mA驅(qū)動能力的通用運放；最多4個響應(yīng)時間為30ns的比較器；

·類似DSP的數(shù)字濾波，可用于儀器儀表和醫(yī)學(xué)信號處理；

·PSoC Creator軟件中預(yù)先配置好的大型模擬外設(shè)庫；

·所有器件均支持CapSense功能。

低功耗的秘訣

PSoC 3和PSoC 5工作電壓可以低至0.5V，適合很多低功耗便攜式的應(yīng)用，特別是滿足太陽能電池板、綠色能源應(yīng)用的需要，主要通過以下幾個步驟實現(xiàn)；

·針對太陽能電池板的0.5V需求，芯片內(nèi)部集成了一個高效的調(diào)節(jié)器；

·PSoC使模擬部分的電壓降低，一般MCU在數(shù)字部分可以實現(xiàn)低電壓，但外部模擬功耗難以控制；

·在PSoC內(nèi)部低功耗部分有三個工作模式：工作狀態(tài)：睡眠狀態(tài)功耗1μA(PSoC3)和2μA(PSoC 5)；休眠狀態(tài)功耗200nA(PSoC 3)和300nA(PSoC 5)，為PSoC提供不同的耗電狀態(tài)和工作效率；

·在軟件方面，ADC可以提供低耗電的模式，所有Block(部分)都可以進(jìn)入低功耗模式；

·模擬器件部分的DMA(直接存儲器存取)可以把耗電降低。一般32位處理器才有DMA、PSoC的8位MCU已具有DMA，這對降低耗電量是個很大的貢獻(xiàn)。

可編程高性能數(shù)字子系統(tǒng)

·“通用數(shù)字模塊”陣列(UDB)，每個均包含未定義邏輯(PLD)、結(jié)構(gòu)邏輯(數(shù)據(jù)通道)以及通往其他UDB、I／O和外設(shè)的靈活通路：

·PSoC Creator軟件中預(yù)先設(shè)置好的大型數(shù)字外設(shè)庫，如8、16、24和32位計時器、計數(shù)器和PWM；

·通過基于PLD的全功能通用邏輯可將數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行客戶定制化；

·高速連接：全速USB、I²C、SPI、UART、CAN、LIN、I²S。

圖形化的開發(fā)工具PSoC Creator

PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境(IDE)支持PSoC 3和PSoC s，開創(chuàng)性地將基于電路圖的設(shè)計與全部測試過的、預(yù)先打包好的模擬和數(shù)字外設(shè)庫結(jié)合起來，通過直觀的向?qū)Ш虯PI(應(yīng)用程序接口)即可進(jìn)行客戶化設(shè)計，實現(xiàn)特殊的設(shè)計要求。PSoC Creator使得工程師們能按照自己的思考方式進(jìn)行設(shè)計，從而可大大縮短產(chǎn)品上市時間。

PSoC的未來

展望未來，PSoC將實現(xiàn)更多的模擬集成，例如現(xiàn)有閃存可做到64kB／8位和256kB／32位，將來會有更高密度產(chǎn)品推出。封裝方面，公司會提供更豐富的封裝選擇，如CSP(芯片尺寸封裝)、客戶定制封裝等。在某一個領(lǐng)域，例如工業(yè)應(yīng)用，將考慮把以太網(wǎng)等接口集成進(jìn)去。此外，Cypress已經(jīng)從ARM獲得ARM9筆IP授權(quán)、可以預(yù)見下一代可編程平臺運算速度更高。

推出PSoC 3和PSoC s后，Cypress并未停止PSoC 1的開發(fā)，計劃今年第四季度推出新產(chǎn)品。Cypress的策略是實現(xiàn)PSoC的8、16、32位處理器內(nèi)核一攬子解決方案，可為客戶提供從低到高的系列可編程嵌入式方案。

柏樹精神

取義于柏樹一詞的Cypress公司正如常青的柏樹一樣，以極強的適應(yīng)性在競爭激烈的嵌入式系統(tǒng)競爭中站得越來越扎實穩(wěn)重，正如我們永遠(yuǎn)無法參透柏樹孤直傲立的禪意一樣，我們想象不出Cypress總裁兼首席執(zhí)行官T.J.Rodgers又會有給公司注入哪些創(chuàng)新性的概念，唯有靜靜等待懸念最終揭曉之后的驚詫!