ＰＳｏＣ３和ＰＳｏＣ５：可編程嵌入式ＳｏＣ的新時代

王　瑩　李　健

毋庸置疑，SoC是未來嵌入式系統的承載主體，器件可編程化則是嵌入式系統的發展主題，當發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

賽普拉斯半導體(Cypress)公司的PSoC(可編程片上系統)，從誕生之日起就經歷了驚人的成長歷程。PSoC大規模的商業化交付始于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5億片!

如此市場奇跡緣于各方對PSoC的廣泛認可。一些企業把CapSense作為了追逐的目標，CapSense觸摸感應芯片目前占PSoC總出貨量的60％。一些專家也關注到PSoC開發工具的獨特之處。例如，圖形化嵌入式設計軟件——PSoC Express 3.0曾榮獲本刊“2007影響中國的嵌入式系統新技術獎”，專家認為該工具是最先把圖形化設計方法引入嵌入式設計業的產品之一。學生是接觸新事物最快的群體，在嵌入式系統高校競賽中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，參賽學生在控制部分采用了PSoC。網友們對PSoC的評價是上手快、應用方便，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堅定地認為：PSoC不是MCU，是SoC!更確切地說是可編程嵌入式片上系統。Cypress過去主要定位通信市場的存儲、時鐘、數字邏輯等芯片，2001年網絡泡沫破滅后，公司轉向了消費類電子、工業等其他新興PSoC事業部副總裁Gahan Richardson：PSoC 3和PSoC 5將原有市場規模擴大10倍市場，在此背景下誕生的PSoC何以能在短短幾年內獲得巨大成功?MCU與可編程嵌入式片上系統的區別在哪里?PSoC的下一步發展方向將如何?

2009年9月14日，PSoC翻開了重要的篇章：在原有PSoC(現在被該公司命名為PSoC 1)的基礎之上，推出兩系列全新架構產品：PSoC 3和PSoC5，分別采用8051架構和ARM Cortex-M3核，并使模擬和數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?！睆挠脩艚嵌葋碚f，PSoC為設計者提供了便捷性和靈活性，適合各種電子設計，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、較為流行的架構或內核，為的是方便用戶了解、獲得第三方開發支持。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基礎上優化的Cortex-M3處理器。這兩款新產品為設計者提供了一個無縫的可編程設計平臺，可以輕松地從Cypress的8位過渡到

16位或32位。除了提供標準的MCU內核之外，新的PSoC 3和PSoC5架構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字資源，并配有足夠的存儲器和通訊外設。

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

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

天下大事必做于細

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字資源，可配置為8、16、24和32位計時器、計數器、PWM以及更多高級數字外設，例如循環冗余校驗(CRC)、偽隨機順序(PRS)發生器，以及正交調幅解碼器。PSoC 3和PSoC 5所擁有的基于PLD的全功能通用邏輯使設計者們擁有了獨特的能力，可以對這一數字系統進行客戶化設計。這一新架構還支持多種通訊接口，包括全速USB、I²C、SPI、UART、CAN、LIN和I²S(如表1)。

處理器架構的提升

基于8051處理器的PSoC 3架構運算速度最高可達33 MIPS(如圖1)；而PSoc 5架構則囊括了一個32位ARMCortex-M3處理器，運算速度最高可達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，這兩種架構均可滿足極低功耗應用的要求。PSoC 3和PSoC 5提供了從8位到32位架構、具有引腳和API兼容性的無縫可編程設計平臺，而且擁有可編程通路，允許任何模擬或數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

·Delta-Sigma ADC精度可達20位；

·12位SAR ADC的采樣率高達1Msps；

·在工業溫度和電壓范圍內，參考電壓精確度可達±0.1％；

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

·類似DSP的數字濾波，可用于儀器儀表和醫學信號處理；

·PSoC Creator軟件中預先配置好的大型模擬外設庫；

·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用，特別是滿足太陽能電池板、綠色能源應用的需要，主要通過以下幾個步驟實現；

·針對太陽能電池板的0.5V需求，芯片內部集成了一個高效的調節器；

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

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

·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。

可編程高性能數字子系統

·“通用數字模塊”陣列(UDB)，每個均包含未定義邏輯(PLD)、結構邏輯(數據通道)以及通往其他UDB、I／O和外設的靈活通路：

·PSoC Creator軟件中預先設置好的大型數字外設庫，如8、16、24和32位計時器、計數器和PWM；

·通過基于PLD的全功能通用邏輯可將數字系統進行客戶定制化；

·高速連接：全速USB、I²C、SPI、UART、CAN、LIN、I²S。

圖形化的開發工具PSoC Creator

PSoC Creator集成開發環境(IDE)支持PSoC 3和PSoC s，開創性地將基于電路圖的設計與全部測試過的、預先打包好的模擬和數字外設庫結合起來，通過直觀的向導和API(應用程序接口)即可進行客戶化設計，實現特殊的設計要求。PSoC Creator使得工程師們能按照自己的思考方式進行設計，從而可大大縮短產品上市時間。

PSoC的未來

展望未來，PSoC將實現更多的模擬集成，例如現有閃存可做到64kB／8位和256kB／32位，將來會有更高密度產品推出。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。在某一個領域，例如工業應用，將考慮把以太網等接口集成進去。此外，Cypress已經從ARM獲得ARM9筆IP授權、可以預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，計劃今年第四季度推出新產品。Cypress的策略是實現PSoC的8、16、32位處理器內核一攬子解決方案，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，以極強的適應性在競爭激烈的嵌入式系統競爭中站得越來越扎實穩重，正如我們永遠無法參透柏樹孤直傲立的禪意一樣，我們想象不出Cypress總裁兼首席執行官T.J.Rodgers又會有給公司注入哪些創新性的概念，唯有靜靜等待懸念最終揭曉之后的驚詫!