全套课件 可编程片上系统PSOC设计指南
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Xilinx公司基于MicroBlaze软核和PowerPC硬核处理 器的片上可编程系统解决方案。这些可编程的片上系统 实现结构，充分利用IP的复用功能，一方面，大大缩短 了系统的开发时间；另一方面，同一平台能应用在很多 领域，提高了平台的资源复用率。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
微控制器基础 --数据和指令的处理
• 在PSoC1/3/5中，有不同的指令集，所有的程序最后 都要分解成这些预定义的指令集中的指令。如果对PSoC使 用C语言进行编程，C语言编译器将C语言分解成这些预定 义的指令。这些指令包含基本的逻辑和算术操作。这些指 令中还有一些更复杂的指令，比如加、减、乘和比较操 作。CPU内包含逻辑模块用来完成这些复杂的指令，而不 需要将这些复杂的指令分解为简单的指令。
• 这种结构同时还使设计人员可以优化系统吞吐量和开 发周期，提供前所未有的软件和硬件协同设计的灵活性， 这种灵活性主要体现在设计人员能够权衡软件和硬件设计 的实现方法。
这种协同性不同于传统的嵌入式系统的协同设计，虽 然以前也使用软件和硬件的协同设计，但是在实现级别上 基本上还是使用大量的分离的设计流程。比如，硬件设计 人员制定硬件设计规范，软件设计人员制定软件设计规 范。这样就导致对问题截然不同的理解，而且对设计团队 提出了很高的要求。
时提供了相应所需要的软件API函数，这样使得设计更容 易运行，以更快的速度完成，更加容易维护和便携。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 当使用HDL语言开发IP核时，对其进行综合、仿 真、验证、编写测试平台、编写文档。
应该为IP核的使用者在IP核开发工具中提供相同的 工具，这个工具就是当用户在他的设计中例化所需要
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 设计重用的思想非常吸引人，但是目前标准的解决方 式仅仅是迫使在项目的另一部分加入“定制”的开发，这
不 能根本上解决问题。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 使得IP核重用利益最大化的方法是将软件和硬件作为 “同等地位”的“合作者”，不需要使得软件或硬件的任
微控制器基础 --数据和指令的处理
指令作为被编码的值保存在存储器中。编程人员不需 要知道描述这些指令的值。汇编器接受助记符，这些助记 符是用来表示指令的缩写。这些指令有一个或多个操作 数。操作码描述加、移位或程序的执行顺序等。
通常情况下，第一个操作数为目的操作数，而其它操
作数被认为是源操作数。如果指令用来改变程序执行的位 置，那么操作数必须包含所要执行程序的新的地址。
能，即硬件模块或者元件能用API函数进行封装来简化软 件的开发，同时加速设计过程。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• PSoC Creator提供原理图捕获接口，在原理图界面内， 设计者通过从模拟和数字元件库中拖拽元件来创建 设计。一个元件由一个在原理图界面内可见的符号 或者其它原理图的实现构成。当设计者建立（build） 设计时，软件就根据元件的名字产生相应的API函数。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
• 2、降低元件成本 由于基于PSoC平台的嵌入式系统的功能多样性，以
前需要用很多元件才能实现的系统，现在可以使用一个 PSoC芯片实现。比如，辅助I/O芯片或协处理器与现有 的处理器之间的连接。减少在设计中所使用的元件的数 量，不但可以降低元件的成本，而且可以大大缩小电路 板的尺寸，提高系统的可靠性。
CPU不但能进行运算，也能修改程序运行的地址。 如果指令将被改变执行的位置，那么PC将加载新的地 址，并且从指向Flash新的地址位置的地方执行程序。如 果指令需要CPU执行一些运算，那么相关的数将送到 ALU单元中。
CPU也能根据所接收到的指令对外设进行控制。
微控制器基础 --微控制器的涵义
• Cache：从位置和速度上说，高速缓存Cache最靠近 CPU。Cache有时直接集成在同一芯片内。但并不是必须 放在同一个硅片上，只是放在同一个封装内。 • RAM：从速度来说，RAM其次，RAM是随机访问存储 器的缩写。需要说明的是，这个词语已经失去了它的原 本含义，这是由于现在大部分的存储器都能够以任何顺 序进行访问。 • Hard Drive：从速度来说，是系统中最慢和最大的存储 部分。它用来保存程序，并且是非易失性的。
点；PSoC3/5的引脚分布；PSoC3/5器件分类和资源。
从“系统”角度把握SOC技术的本质
第1章 PSoC设计导论 --微控制器基础
微控制器是指带有外设的微处理器系统，比如台 式电脑的CPU，它是一个微处理器系统。微控制器将响 应来自I/O引脚、定时器、通信等的输入，同时通过对 信息进行操作控制来产生合适的输出信号。
C语言描述 F=C+D
机器指令 E508 2509 F50A
汇编助记符 MOV A, 0x08 ADD A, 0x09 MOV 0x0A, A
功能 将数据空间地址为0x08的内容送给A 将数据空间地址为0x09的内容和A相加后送给A 将A的内容送到地址为0x0A的数据空间
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
PC指向Flash存储器的指定地址，然后返回指令和数 据。
专用逻辑将使用PC来确定Flash中的哪个字段将被送 到指令译码器中。
指令译码器包含译码逻辑，这些逻辑将对从Flash返 回的数进行“翻译”，用来确定程序将执行的指令，
这些 指令将“告诉”CPU下一步将做什么。
微控制器基础 --微控制器的涵义
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
• 3、硬件加速 选择PSoC的一个重要的原因就是，PSoC能在硬件和软
件之间进行权衡，使嵌入式系统达到最大的效率和性 能。比如，当算法是嵌入式系统软件性能的瓶颈时，一 个使用FPGA定制的协处理器引擎能用来实现算法，这 个协处理器通过专用的，低延迟的通道与嵌入式处理器 连接。使用现代的硬件设计工具，很容易的将软件瓶颈 转向硬件处理。
何一 方需要了解对方的具体实现过程。
实现这个目的的方法是，在定义硬件IP核的时候，要 考虑到软件和开发工具，这样在应用程序和硬件之间的接 口就非常方便、高效，同时，彼此不需要“深入了解对 方”。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• Cypress的PSoC Creator开发平台很好的实现了设计重 用的思想，并将其变为现实，即在生成硬件IP时，也同
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 很多年前，设计重用技术就已经提出来作为一个正 在完成项目（从时间和预算方面）的一个必要的部分。 • 这并不是一个新的思想，设计重用的目的就是使得 一个设计不需要修改（或者尽可能少的修改）可以在 不同的平台之间使用。 • 实际上，到目前为止，设计重用都没有完全实现， 通常的做法是单纯的硬件（微处理器核，可重用的IP核 外设，硬件加速器等）或者软件（RTOS，协议栈，实时 库等等）的复用，而不是全部软件和硬件的复用。
足不同要求的产品，并且延长了产品的上市时间。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
• 随着半导体工艺的不断发展，越来越多的半导体 厂商在一个单芯片上提供了大量不同的IP软核和硬核资 源。
这些软核和硬核可以在任何时间进行升级，典型的 有Cypress公司的PSoC3/5可编程片上系统芯片，该芯片 提供了MCU、大量的数字和模拟可编程阵列等。
• Cypress的微控制器系统称为PSoC，那是因为它包含 了足够的资源，几乎不需要外部的电路。
典型的“积木式”结构
微控制器基础 --微控制器的涵义
• CPU：是系统的大脑，中央处理单元（Central Processing Unit, CPU）知道如何和各种不同空间的存 储器交换（读或写）信息。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
当传统的单片机发展到PSoC阶段后，设计的复杂度 也不断的提高，硬件和软件设计在PSoC平台上都显得十 分重要。而且由于PSoC集成了大量的总线和不同的接口 结构等，因此也需要系统设计和系统结构方面的经验。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
第1章 PSoC设计导论
Chapter 1 Design Introduction of PSoC
第1章 PSoC设计导论 --前言
Cypress公司的可编程片上系统(Programmable System-on-a-Chip, PSoC)将微控制器、可编程逻辑阵列、 模拟可编程阵列等资源集成在单芯片上，为电子系统的 设计带来了前所未有的机遇。
I/O引脚使的微控制器能读取来自其它设备的按钮 和状态信息，同时I/O引脚也能够输出信号用来打开 灯、运行电机和驱动显示设备。
定时器、通讯模块和数/模转换模块能使微控制器 执行特殊的任务，比如与PC机进行通讯，读取温度信 息等。
第1章 PSoC设计导论 --微控制器基础
• 从微观上说，微控制器是一个集成了成千上万电子 开关的设备。正如编程的人目的是为了将复杂的操 作简化为逻辑和算术运算来完成任务那样，微控制 器的设计人员必须决定使用什么电子设备来完成这 些任务，比如，晶体管，FET和二极管等。大多数的 微控制器工作在二进制系统下，比如1和0，高和低， 开和关。
执行一些逻辑指令，最基本和最通用的有： 加、减、逻辑OR、逻辑AND、逻辑XOR、移位 Shift、移动Move和复制。一些处理器可能执行更加 复杂的操作，但这些操作都是由最基本的操作得到 的。
微控制器基础 --微控制器的涵义
CPU由一些子系统构成，在这些子系统中最重要的 是程序计数器（Program Counter, PC），指令译码器和 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）部分。
• 1、定制 基于PSoC嵌入式系统的设计人员可以很灵活地选择
所要连接的外设和控制器。因此，设计人员可以设计出 一个独一无二的外设，这个外设可以直接和总线连接。 对于一些非标准的外设，设计人员很容易的使用PSoC内 嵌的UDB（Universal Digital Block，UDB）阵列实现。比 如，设计人员很容易的在PSoC上设计出多个UART接口的 嵌入式系统，而这些在传统的单片机和嵌入式系统是无 法实现的。因此，在PSoC平台中，向这样类似的配置是 很容易实现的。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
• 更进一步的说，PSoC平台，集成了传统的硬核处理 器（8051或者ARM Cortex-M3）、片上总线、大量不同的 模拟和数字I/O设备和接口标准、定制的硬件加速处理 器，以及混合的定制的总线或点对点的拓扑结构，以提高 系统的性能。 • 在PSoC的层次上，其应用领域比传统的单片机的范 围已经大大扩宽了，它不再是传统意义上的MCU，而是 一个带有MCU的完整的数/模混合系统。
• 由于持续的要求嵌入式系统具有更多的功能、更好的 性能和灵活性，因此传统上的嵌入式系统的设计方法已经 不适应这种要求（严重挑战）。
具有典型代表的是传统的单片机，当选择一种单片机 用于满足某种功能需求时，对于另一种要求却“无能为 力”。所以，只能是“专用”，即一种单片机解决一个需
求。 但是，这样需要消耗大量的人力和物力来重新研制满
本部分主要介绍以下内容：
微控制器基础 PSoC基本概念； PSOC3和PSOC5器件概述。
第1章 PSoC设计导论 --前言
在微控制程片上系统PSoC概述部分介绍PSoC的发 展、PSoC技术特点、设计重用技术。
在PSOC3/5概述部分介绍了PSoC3/ 5的功能和特
使用的IP核时，为每个例化的IP核生成相应的应用程序 接口（Application Interface, API)函数。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 在PSoC Creator中支持这样的功能。 PSoC3/5由嵌入式的处理器（8051或Cortex-M3）、可
编程的数字阵列和高精度的模拟资源构成。 PSoC Creator软件充分的显示出其强大的设计重用功
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
微控制器基础 --数据和指令的处理
• 在PSoC1/3/5中，有不同的指令集，所有的程序最后 都要分解成这些预定义的指令集中的指令。如果对PSoC使 用C语言进行编程，C语言编译器将C语言分解成这些预定 义的指令。这些指令包含基本的逻辑和算术操作。这些指 令中还有一些更复杂的指令，比如加、减、乘和比较操 作。CPU内包含逻辑模块用来完成这些复杂的指令，而不 需要将这些复杂的指令分解为简单的指令。
• 这种结构同时还使设计人员可以优化系统吞吐量和开 发周期，提供前所未有的软件和硬件协同设计的灵活性， 这种灵活性主要体现在设计人员能够权衡软件和硬件设计 的实现方法。
这种协同性不同于传统的嵌入式系统的协同设计，虽 然以前也使用软件和硬件的协同设计，但是在实现级别上 基本上还是使用大量的分离的设计流程。比如，硬件设计 人员制定硬件设计规范，软件设计人员制定软件设计规 范。这样就导致对问题截然不同的理解，而且对设计团队 提出了很高的要求。
时提供了相应所需要的软件API函数，这样使得设计更容 易运行，以更快的速度完成，更加容易维护和便携。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 当使用HDL语言开发IP核时，对其进行综合、仿 真、验证、编写测试平台、编写文档。
应该为IP核的使用者在IP核开发工具中提供相同的 工具，这个工具就是当用户在他的设计中例化所需要
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 设计重用的思想非常吸引人，但是目前标准的解决方 式仅仅是迫使在项目的另一部分加入“定制”的开发，这
不 能根本上解决问题。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 使得IP核重用利益最大化的方法是将软件和硬件作为 “同等地位”的“合作者”，不需要使得软件或硬件的任
微控制器基础 --数据和指令的处理
指令作为被编码的值保存在存储器中。编程人员不需 要知道描述这些指令的值。汇编器接受助记符，这些助记 符是用来表示指令的缩写。这些指令有一个或多个操作 数。操作码描述加、移位或程序的执行顺序等。
通常情况下，第一个操作数为目的操作数，而其它操
作数被认为是源操作数。如果指令用来改变程序执行的位 置，那么操作数必须包含所要执行程序的新的地址。
能，即硬件模块或者元件能用API函数进行封装来简化软 件的开发，同时加速设计过程。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• PSoC Creator提供原理图捕获接口，在原理图界面内， 设计者通过从模拟和数字元件库中拖拽元件来创建 设计。一个元件由一个在原理图界面内可见的符号 或者其它原理图的实现构成。当设计者建立（build） 设计时，软件就根据元件的名字产生相应的API函数。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
• 2、降低元件成本 由于基于PSoC平台的嵌入式系统的功能多样性，以
前需要用很多元件才能实现的系统，现在可以使用一个 PSoC芯片实现。比如，辅助I/O芯片或协处理器与现有 的处理器之间的连接。减少在设计中所使用的元件的数 量，不但可以降低元件的成本，而且可以大大缩小电路 板的尺寸，提高系统的可靠性。
CPU不但能进行运算，也能修改程序运行的地址。 如果指令将被改变执行的位置，那么PC将加载新的地 址，并且从指向Flash新的地址位置的地方执行程序。如 果指令需要CPU执行一些运算，那么相关的数将送到 ALU单元中。
CPU也能根据所接收到的指令对外设进行控制。
微控制器基础 --微控制器的涵义
• Cache：从位置和速度上说，高速缓存Cache最靠近 CPU。Cache有时直接集成在同一芯片内。但并不是必须 放在同一个硅片上，只是放在同一个封装内。 • RAM：从速度来说，RAM其次，RAM是随机访问存储 器的缩写。需要说明的是，这个词语已经失去了它的原 本含义，这是由于现在大部分的存储器都能够以任何顺 序进行访问。 • Hard Drive：从速度来说，是系统中最慢和最大的存储 部分。它用来保存程序，并且是非易失性的。
点；PSoC3/5的引脚分布；PSoC3/5器件分类和资源。
从“系统”角度把握SOC技术的本质
第1章 PSoC设计导论 --微控制器基础
微控制器是指带有外设的微处理器系统，比如台 式电脑的CPU，它是一个微处理器系统。微控制器将响 应来自I/O引脚、定时器、通信等的输入，同时通过对 信息进行操作控制来产生合适的输出信号。
C语言描述 F=C+D
机器指令 E508 2509 F50A
汇编助记符 MOV A, 0x08 ADD A, 0x09 MOV 0x0A, A
功能 将数据空间地址为0x08的内容送给A 将数据空间地址为0x09的内容和A相加后送给A 将A的内容送到地址为0x0A的数据空间
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
PC指向Flash存储器的指定地址，然后返回指令和数 据。
专用逻辑将使用PC来确定Flash中的哪个字段将被送 到指令译码器中。
指令译码器包含译码逻辑，这些逻辑将对从Flash返 回的数进行“翻译”，用来确定程序将执行的指令，
这些 指令将“告诉”CPU下一步将做什么。
微控制器基础 --微控制器的涵义
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
• 3、硬件加速 选择PSoC的一个重要的原因就是，PSoC能在硬件和软
件之间进行权衡，使嵌入式系统达到最大的效率和性 能。比如，当算法是嵌入式系统软件性能的瓶颈时，一 个使用FPGA定制的协处理器引擎能用来实现算法，这 个协处理器通过专用的，低延迟的通道与嵌入式处理器 连接。使用现代的硬件设计工具，很容易的将软件瓶颈 转向硬件处理。
何一 方需要了解对方的具体实现过程。
实现这个目的的方法是，在定义硬件IP核的时候，要 考虑到软件和开发工具，这样在应用程序和硬件之间的接 口就非常方便、高效，同时，彼此不需要“深入了解对 方”。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• Cypress的PSoC Creator开发平台很好的实现了设计重 用的思想，并将其变为现实，即在生成硬件IP时，也同
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 很多年前，设计重用技术就已经提出来作为一个正 在完成项目（从时间和预算方面）的一个必要的部分。 • 这并不是一个新的思想，设计重用的目的就是使得 一个设计不需要修改（或者尽可能少的修改）可以在 不同的平台之间使用。 • 实际上，到目前为止，设计重用都没有完全实现， 通常的做法是单纯的硬件（微处理器核，可重用的IP核 外设，硬件加速器等）或者软件（RTOS，协议栈，实时 库等等）的复用，而不是全部软件和硬件的复用。
足不同要求的产品，并且延长了产品的上市时间。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
• 随着半导体工艺的不断发展，越来越多的半导体 厂商在一个单芯片上提供了大量不同的IP软核和硬核资 源。
这些软核和硬核可以在任何时间进行升级，典型的 有Cypress公司的PSoC3/5可编程片上系统芯片，该芯片 提供了MCU、大量的数字和模拟可编程阵列等。
• Cypress的微控制器系统称为PSoC，那是因为它包含 了足够的资源，几乎不需要外部的电路。
典型的“积木式”结构
微控制器基础 --微控制器的涵义
• CPU：是系统的大脑，中央处理单元（Central Processing Unit, CPU）知道如何和各种不同空间的存 储器交换（读或写）信息。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
当传统的单片机发展到PSoC阶段后，设计的复杂度 也不断的提高，硬件和软件设计在PSoC平台上都显得十 分重要。而且由于PSoC集成了大量的总线和不同的接口 结构等，因此也需要系统设计和系统结构方面的经验。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的技术特点
第1章 PSoC设计导论
Chapter 1 Design Introduction of PSoC
第1章 PSoC设计导论 --前言
Cypress公司的可编程片上系统(Programmable System-on-a-Chip, PSoC)将微控制器、可编程逻辑阵列、 模拟可编程阵列等资源集成在单芯片上，为电子系统的 设计带来了前所未有的机遇。
I/O引脚使的微控制器能读取来自其它设备的按钮 和状态信息，同时I/O引脚也能够输出信号用来打开 灯、运行电机和驱动显示设备。
定时器、通讯模块和数/模转换模块能使微控制器 执行特殊的任务，比如与PC机进行通讯，读取温度信 息等。
第1章 PSoC设计导论 --微控制器基础
• 从微观上说，微控制器是一个集成了成千上万电子 开关的设备。正如编程的人目的是为了将复杂的操 作简化为逻辑和算术运算来完成任务那样，微控制 器的设计人员必须决定使用什么电子设备来完成这 些任务，比如，晶体管，FET和二极管等。大多数的 微控制器工作在二进制系统下，比如1和0，高和低， 开和关。
执行一些逻辑指令，最基本和最通用的有： 加、减、逻辑OR、逻辑AND、逻辑XOR、移位 Shift、移动Move和复制。一些处理器可能执行更加 复杂的操作，但这些操作都是由最基本的操作得到 的。
微控制器基础 --微控制器的涵义
CPU由一些子系统构成，在这些子系统中最重要的 是程序计数器（Program Counter, PC），指令译码器和 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）部分。
• 1、定制 基于PSoC嵌入式系统的设计人员可以很灵活地选择
所要连接的外设和控制器。因此，设计人员可以设计出 一个独一无二的外设，这个外设可以直接和总线连接。 对于一些非标准的外设，设计人员很容易的使用PSoC内 嵌的UDB（Universal Digital Block，UDB）阵列实现。比 如，设计人员很容易的在PSoC上设计出多个UART接口的 嵌入式系统，而这些在传统的单片机和嵌入式系统是无 法实现的。因此，在PSoC平台中，向这样类似的配置是 很容易实现的。
可编程片上系统PSoC概念 --PSoC的发展
• 更进一步的说，PSoC平台，集成了传统的硬核处理 器（8051或者ARM Cortex-M3）、片上总线、大量不同的 模拟和数字I/O设备和接口标准、定制的硬件加速处理 器，以及混合的定制的总线或点对点的拓扑结构，以提高 系统的性能。 • 在PSoC的层次上，其应用领域比传统的单片机的范 围已经大大扩宽了，它不再是传统意义上的MCU，而是 一个带有MCU的完整的数/模混合系统。
• 由于持续的要求嵌入式系统具有更多的功能、更好的 性能和灵活性，因此传统上的嵌入式系统的设计方法已经 不适应这种要求（严重挑战）。
具有典型代表的是传统的单片机，当选择一种单片机 用于满足某种功能需求时，对于另一种要求却“无能为 力”。所以，只能是“专用”，即一种单片机解决一个需
求。 但是，这样需要消耗大量的人力和物力来重新研制满
本部分主要介绍以下内容：
微控制器基础 PSoC基本概念； PSOC3和PSOC5器件概述。
第1章 PSoC设计导论 --前言
在微控制程片上系统PSoC概述部分介绍PSoC的发 展、PSoC技术特点、设计重用技术。
在PSOC3/5概述部分介绍了PSoC3/ 5的功能和特
使用的IP核时，为每个例化的IP核生成相应的应用程序 接口（Application Interface, API)函数。
可编程片上系统PSoC概念 --设计重用技术
• 在PSoC Creator中支持这样的功能。 PSoC3/5由嵌入式的处理器（8051或Cortex-M3）、可
编程的数字阵列和高精度的模拟资源构成。 PSoC Creator软件充分的显示出其强大的设计重用功