（机械制造及其自动化专业论文）基于cypress的psoc电容感应按键的开发.pdf

摘要 基于c y p r e s s 的p s o c 电容感应按键的开发 硕十研究生：张焱焱 导师：汤文成教授 东南人学机械l ：程系 摘要 对系统和i c 设计者而言，单伉硅片集成度的不断增长在集成电路设计方法学和加。i ：能力之间产生了 周期性危机。s o c 时代的到米将对传统v l s ia s i c 设计产生巨人的影响。这种影响不仅包含传统深讵微 米问题，而且还包含i p 核和信号完整性问题尤其是集成数字模拟混合信号系统。随着席_ 【 j 复杂度 和芯片电路容肇的不断增长。s o c 己经成为现代电子系统应h | 的关键技术之一。s o c 技术提供了低成本、 高性能和嵌入式的系统设计解决方案。因此，s o c 技术已经成为v l s i 设计技术的重点研究内容。 本文对s o c 技术中的技术分支p s o c ( p r o g r a m m a b l es o c ) 的结构及其应h j 方法进行了重点研究。 p s o c 作为s o c 的一种具体麻川技术，其基本内容也是基r i p 核的设计。本文重点研究了三种可编程结构 数字、模拟和混合信号可编挫结构。a l t e r a 和l x i l i n x 的可编程s o c 仅有数字功能，l a t t i c e 的可编程 器件仅有模拟功能，c y p r e s s 和l s i d s a 的可编样s o c 虽然有数字利模拟功能，但是c y p r e s s 的数字功能较弱 而s i d s a 的模拟功能较弱。 在以上研究的基础上，本文提山了一种新的p s o c 结构。这种结构具有可编科数字和模拟功能强的 特点。结合p s o c 结构的研究，本文重点进行了基丁c y p r e s sp s o c 的电容感应按键的开发，包括原理 介纠，硬件设计，程序开发和产品的优化调试。 在便什设计部分，根据系统设计需求和参数要求，提出了控制系统方框图。方框图中主要包括i u 容 感应处理模块，i i c 模块，u a r t 模块，e e p r o m 模块和i g p i o 模块，其中，重点是电容感应处理模块。 结合算法原理平| 功能框图，我们重点论述了电容感应处理模块的设计原理和过程。本篇还给出了硬件参 数的设计和硬件的迮线图。 在软件设计部分，限于篇幅，本篇只给山了软件的设计流稗图。其中电容感应处理模块的算法原理 也放在这一部分，目的是为了与软件处理结合起来。在设计的基础上，本篇义对设计的结果进行了验证 并提出了改进方案。 关键词：人规模集成电路可编程片上系统，模拟模块，数字模块，模块舀己置，电容感麻触摸按键 a b s t r a c t t h er e a e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc a p a c i t i v et o u c hs e n s o rb a s e do nt h e c y p r e s sp s o c c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：z h a n g y a n y a n a d v i s e r ：p r o f t a n gw e n c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h en e v e re n d i n gi n c r e a s eo fs i l i c o nc a p a c i t ya v a i l a b l et os y s t e ma n di cd e s i g n e r s b r i n g so nac y c l i c a l c r i s i si nd e s i g nm e t h o d o l o g ya n de n g i n e e r i n gp r o d u c t i v i t y s o cd e s i g nc r e a t e st r e m e n d o u sd e s i g nc h a l l e n g e s t ot h et r a d i t i o n a lv l s la s i cd e s i g n i tc o v e r sn o to n l yt h et r a d i t i o n a ld e e ps u b - m i c r o n ( d s m ) j s s u e sb u ta l s o t h ei n t e g r a t i o ni s s u e ss u c ha si pa n ds i g n a li n t e g r i t ye s p e c i a l l yf o ri n t e g r a t e dd i g i t a l a n a l o gs y s t e m a st h e a p p l i c a t i o nb e c o m e sm o r ec o m p l e xa n dt h ec a p a c i t yo nac h i pi sg e t t i n gh i g h e r s o cb e c o m e so n eo f t h ek e y t e c h n o l o g i e si nt h ea p p l i c a t i o no fm o d e m e l e c t r o n i c ss y s t e m s o cp r o v i d e se m b e d d e dp r o c e s s i n gs o l u t i o n sa t i o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e a sar e s u l t s o ct e c h n o l o g ys t u d yh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n to n ei nt h e v l s id e s i g nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h es t u d yo na r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o no fp s o c ( p r o g r a m m a b l es o c ) ， w h i c hi sab r a n c ho ft h es o ct e c h n o l o g y b e i n go n eo ft h es p e c i a la p p l i c a t i o n so fs o c p s o ci sc e n t e r i n g a b o u tt h ed e s i g no fi pc o r e s t h ei s s u eo ft h i sp a p e ri sa b o u tp r o g r a m m a b l ea r c h i t e c t u r e ，t h a ti s ，d i g i t a l a n a l o g a n dm i x e d s i g n a lp r o g r a m m a b l ea r c h i t e c t u r e t h ep r o g r a m m a b l es o co fa l t e r aa n dx i l i n xc a no n l y i m p l e m e n td i g i t a lf u n c t i o n t h ep r o g r a m m a b l ed e v i c eo fl a t t i c eo n l yh a sa n a l o gf u n c t i o n t h ep r o g r a m m a b l e s o co fc y p r e s sa n ds i d s ah a sd i g i t a la n da n a l o gf u n c t i o n b u td i g i t a lf u n c t i o no ft h ef o r m e ra n da n a l o g f o n c t i o no f t h el a t t e ri sab i tl o w e r b a s e do na b o v ea r c h i t e c t u r e s ，an o v e la r c h i t e c t u r ei sa d d r e s s e d t h ea r c h i t e c t u r ei sp r o v i d e dw i t h i m p r o v e dd i g i t a la n da n a l o gf u n c t i o n w h e ns t u d y i n go na p p l i c a t i o no fp s o c ，t h ep a p e re m p h a s i z et h er e a e a r c h a n da p p l i c a t i o no fc a p a c i t i v et o u c hs e n s o rb a s e do nt h em c up r o g r a m m a b l es o co nc h i p ，i n c l u d i n gt h e i n t r o d u c t i o no f t h et h e o r y , h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n dt h ed e b u go f t h ep r o d u c t i nh a r d w a r ed e s i g n ，w ep u to u tt h eb l o c kd i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es y s t e md e s i g n r e q u i r e m e n t t h e b l o c kd i a g r a mm a i n l yi n c l u d e c a p a c i t i v e s e n s o rm o d u l e ，i i cm o d u l e ，u a r t m o d u l e ，e e p r o mm o d u l ea n dg p i om o d u l ea n db e t w e e nw h i c ht h ec a p a c i t i v es e n s o rm o d u l ei st h em o s t i m p o r t a n tw i t ht h eb l o c kd i a g r a m ，w em a i n l yi n t r o d u c et h ed e s i g np r i n c i p l ea n dp r o c e s so fc a p a c i t i v es e n s o r m o d u l e t h i sp a p e ra l s op u to u tt h eh a r d w a r ep a r a m e t e rd e s i g na n dh a r d w a r ei n t e r - c o n n e c t i o n i ns o f t w a r e t h i sp a p e ro n l yg i v et h ed e s i g nf o l l o wc h a r to w i n gt ot h el i m i t t h ea r i t h m e t i cp r i n c i p l ea n d t h ed e s i g np r o c e s so f t h ec a p a c i t i v es e n s o rm o d u l ei sa l s op l a c e dh e r ei no r d e rt h a ti tc a nb ec o m b i n e dw i t h t h e s o f t w a r ep r o c e s st i g h t l y w ea l s op e r f o r mt h ev a l i d a t i o no f t h ed e s i g n ，a n dp u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：v l s i ，p r o g r a m m a b l es o c ，a n a l o gm o d u l e ，d i g i t a lm o d u l e ，m o d u l ec o n f i g u r a t i o n ， c a p a c i t a n c et o u c hs e n s o r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取季导的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：毒燕迎日 期：丝2 旦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：_ ；垒监导师签名： 期：出 第一帮绪论 第一肇绪论 1 1 嚣魏国疼癸最薪鳇按键憝理技术 按键是所有的电子电气设备中必须增到的一种最基本的装置，它并不是设番中的主鬻的装嚣，僵 怒萁确是必不可少的部件。我 j 见到最多的怒机械按键，可以说这也是到目前为l 赢朋最j “泛的一种按 键彤式。但是，随着科技的不断进步以及成心需求的不断提升，现在市面上出现了新型的按键处理技术， 遮就越电阻式按键和电容式感应按键。 1 1 1 盘流的按键处理技术 机械按键 机械接键作为传统的按键。截i t 目裁还魑斑膈最j “泛的按键技术。 搬撂起来浚。辊械按键可能有班f 缺点。嚣鬼，撬械按键不褰豸缀装，聪为按键畜莠释式檬，丙建 铮瓣强鼹舞撵憝按键，可韪要和瓿翰讨埝不| 霉静炭装方法；其次，掇撼按键静密菇跑铰毽矮，按键与嚣 援之闯不可能辍劐完全密封，这样裁警致获生，澎气及杂耪篙容易送入翻凌善波部，鸯辩菸麓会影响致 器的正常l ：孛# ；爵其次，枧城按键寿命矮，农茹如现疲劳损薛；最后，由于机械按键楚突在辨巍的，因 诧，枫械按键设计成的设备的整体外麓不楚檄荧观。 肖然，机械按键也有它的优点。最大的优点在下它的稳定性。只要按键没有损环，一般燧不会发生 谡动作的，这一点与f 面的两种按键处理技术相比也许是一人优势。 电阻式触摸按键 图1 1电阻式触摸模块示意图 电阻式按键通常的应埘场合是电阻触摸屏。电阻触摸屏的屏体部分楚一块贴住鹾示嚣裁丽的多屡 簸合薄膜，由一联玻璃或有机玻璃作为基层，袭丽涂裔一层透明盼导电层( i t o ，氧化铟) ，上藤再麓 鸯一殷雏袭蕊硬仡处理、光滑防刮的塑辩艨，它瓣内裘露也涂有一层i t o ，在两层导l 强艨之间鸯许多细 小f 小 予分之一英寸 戆透嘲蕊裹点把宅# j 黼开绦缘。肖手话接齄屏幕，甄瑶i t o 导 弩聪& l 瑷一个接触 杰，毅其孛一囊导电瑶接遂y 辘方彝戆5 v 均匀魄臻场，使蒋壤溅瑶懿电匿由零变为棼零，羧期嚣俊潮 捌这个援遁焉，进行a d 转按，艿褥得翻戆电惩簇与5 v 相比，郄可褥趣摸点靛y 霸警稼，嗣理褥i nx 辆的坐标，这就是电疆技术触摸屏共同的疆基本艨瑗。电阻屏根据引出线数多少，分为潮线、聂线等多 i 壤建_ 授一 鑫总 “y 揍 ， 制 懿 w 1ll|4| r，y 东南人举顺l 学位论文 线电隧触摸霹。夏线电阻触摸屏的a 面是导电玻璃两不是导电涂覆屡，导电玻璃的，l ：芑馒其的寿命得 到投人的撬裹，势，受露鞋撵裹透先率。 电隘类簸摸羼戆芙穗在于糖辩雾 技，鬻羽豹透甓导电涂接誊| 辩骞； a 、i t o ，氧化铟，弱导电体，特性怒警孵发降到1 8 0 0 个埃( 1 埃是1 米的一百亿分之一) 以卜对 会突然变得透明，透光率为8 0 ，荐薄f 塞邂光率反而下降，到3 0 0 埃厚度时又上升到8 0 。1 t o 是 所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用劁的主要材料，实际上电阻币1 电容技术触摸屏的i ：作面就是 i t o 涂层。 b 、镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电藤使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电屡由于频 娥触摸，使川延展性好的镍金材料目的是为了蜒& 使用寿命，但是1 ：艺成本较为高昂。镍鑫肆电联虽然 蜒聪性好，但是扶能作透明导体，不适台作为呶阻触摸肼的i ：作面，冈为它导电率高，向h 众属小易做 刘厚魔非常均匀。不宜作电压分布层，只能作为探屡。 葵实，瞧疆式融摸舞不是仟么新鲜搴谚，这种技沭黥出瑗己经毒一定的隧闯了，势羹纛经成为一秘 魄较艘熬瓣技术。在黉缝戆鏊辘手瓿或p 1 ) a 警辍天都采瑙篷疆式鲢摸输入方法。奄疆式缎攘豹俊燕跫琏圭 随式簸摸羼不受尘埃、采、污魏影响，磁封煮狡鞯躲进行穗确的茳潮，餐其撵搏一般露癸专涮输入笔翻 一定的笨力；缺点是电阻式融摸屏的i t o 涂瑶眈较薄照容易麓断，涂得太浮x 会降低透光艇形成内反射 辫低滴晰度，i t 0 外虽多加了一层薄塑科保护艨，但依然容易铍锐利物件所破坏；且由于经常被触动， 栽联i t o 使俐一定时间后会出现细小裂纹，髅黧变剐，如其中一点的外层i t o 受破坏而断裂，便火老作 为鼯电体的作 l j ，触摸屏的寿命并不长久，辫释，输八笔会遗失。 攀呶容式感应按键 这是一种新兴技术，市场上已经有成功的例子。我f f j 最能直接想象的可能就是银行的a t m 机，其 上就地廊心了电容感应技术。我f l 、j 面对的是块究糕的显示屏( 看不剑机械按键的存在) ，戗越谯屏幕 上会鼹示儿个按键的位置，当手指点到相应的按键上时，机子就会响应，这个地方就麻蹦了电择感戍按 键，只不过是把这种按键徽剑了玻璃屏的f 瞬，我们不能寅观的舌剑物理的按键罢了。 图1 2电释感戍按键的廊用模块 上图是电，容感应技术的廊用模型。感应按键( c a p s e n s eb u t t o n s ) 是金属铜箔制成，求感戍外 界的哇王窬信号，此按键做住p c b 板上，在p c b 上面覆蓣了一层啦金属材质的面板( o v e r l a y ) ，p c b 的殷断魁处理芯片。实际使蹦中，手指只耍轻轻在丽扳上丽点触，感应按键就能接收到变化的i 廷箨信号， 并送给处理芯片处理。 瑷蠢这静技术l ：受越来越多豹关注，疲捌斑越采越j “泛，氇跫按键技寒戆发襞趋势，我孽l 零麓的 斑耀晓麓蔟予这车孛技术。下嚣耨戆要奔绥j 0 摹孛这秘技术豹方案提供巍靛方案。赢续我 f l 将浮缨说骥其串 一种方塞麴藤理和应捌。 2 第一章绪论 解决方案芯片架构方案特点席用说明 赛普拉斯s o c由具有c a p s e n s e 功能的器件和可应埘在按钮、滑动条、触摸板和触摸屏 的p s o c ( 可配置混合信号片上系统)这四人领域。可补偿温度、湿度以及电源 c a p s e n s e微控制器构成，提供给用户电压等环境因素的变化。独立的保护电极 电容式感p s o c d e s i g n e r 集成开发环境可用来降低分布电容，在有水雾或水滴存 应解决方 在的环境下仍然能够可靠运行。可应用的 案产品包括所有的消费类电子和白色家电 中。 s t ：首发低a s l c采用a t l a b 的电容触摸传感技 较低的功率。连接传感器和应用设备触摸 功耗低成 术，基丁：全数字架构，控制对用 板的线路无需外部阻容网络，而其他传感 本触摸传户触摸做出响应的操作界面，无 器解决方案通常需要阻容网络。这些传感 感器需片上微拧制器、存储器或l 州件。 器的尺寸非常小，8 路输入产品采用 该系列的首批产品是8 通道和1 2 2 6 r a m x l 8 m m q f n l 6 封装，并具囱很强 的价格竞争力。该系列传感器的采样时间 通道传感器。 为2 m s ，也是市场上速度最快的产品。 义隆电子： a s i c 该解决方案源丁二其4 年前买f 的 e f i n g e r 技术可以应用丁很多产品，包括智 电容式感 l o g i t e c h 电容式触控技术及其专 能手机，汽车导航系统，便携式多媒体播 应输入解利，义隆电子将自身拥有的中英 放器m p 3 播放器，数码相机和数码摄像 决方案 文手写辨认技术与l o g i t e c h 电容 机，智能型遥控器，和白色家电中。 式触控技术整合成其独特的 e f i n g e r 解决方案。该方案允许用 手指输入中英文 a d i 的电容a s i c包括电容剑数字转换器c d c ( 如所有上述c d c 和i d c 都针对i ：、j k 控制、汽 式感应解 a d 7 7 4 5 、a d 7 7 4 6 、a d 7 7 4 7 雨i 乍和医疗电子应h 中的高精度传感器设 决方案a d 7 1 4 2 ) 以及电阻剑数字转换器计，蜂窝手机、m p 3 播放器、p m p 和数码 i d c ( a d 5 9 3 3 和a d 5 9 3 4 ) 。低功耗相机廊埘中屏幕控制的外观和触感控制。 c d c 具有自动技准快速改变的外 界环境的功能，从而使其适合移 动环境应川。a d 7 1 4 2 具有卓越的 抗环境干扰能力，功耗比同类解 决方案低5 0 。a d 7 1 4 2 具有高度 可编拌能力，并包含白适麻闽值 和灵敏度算法，允许芯片调整删 户的手指尺寸。a d 7 1 4 2 的低功耗 特性使其很适合电池供电的应刚 1 1 2 电容感应按键技术的几大应用场合 电容感应按键技术是目前国内外最新的按键处理技术，该技术卜义有儿人应_ l i j 场合。 独立按键 这种按键的形式与传统的按键是一致的，即这种按键是一个一个独立分开的。 东南大学顾l ：学位论文 圈l + 3 猿寂按键的应羽线路板 上图所示的是手机上电容感应按键的庵刚实例，在一个p c b 扳上制作了9 个按键( 至y - 为什么作成 这种形式，我们后面会有介绍) ，每个按键魁分汗处理的，即手指放到哪个按键的上方，棚戍的按键感 臌劁信号，并作出相应的处理。这种按键形斌目前应用还是最广泛的，也是处理起来最容易的一种。 幸滑条 这种应腑形式就有别于传统的按键形式，撼邂应新的庵j j 需求而诞生的。新的崩用场合包括娱乐 设备，匕溯 ，音鼙的按钮，这种按钮的动作要求越，随黄手指在按钮上滑行一段距离，能够凋i ，裔鬣的大 小，陵黄手指游动方向的不一样，那么酱馘的调l 方向也不一样。 翻1 4 滑条的应用线路板 如果h j 机械的方式控制，那么我f j 一般憋朋转癍式的旋钮米控制，但是，随着新技术的m 现，时下 比较流行的趋辨是用电容式感应技术中的滑祭方式术处理。其实，这种滑条是由很多个独立按键并排紧 密的排列起来。肖手指在其上滑动时，手指将同时覆需儿个按键，那么将同时有儿个按键麟麻划手指的 信号，然后处理芯片再根据加权平均的算法算出乎指所在滑条上的具体位置，然后士机就燧搬据这个位 鬣信息米调1 y 音链的大小。还有跑步机上调1 ，述殿有的也开始应_ i j 滑条式的电容感麻技术。所以这种虑 _ | f 】技术是判断手指住一维方向的x 坐标。 审煅摸板 这秘技术也楚透癍鞲的赢羽震求瑟诞生的。妇笔记本哇 藏键囊甄款感应齄蒺叛的斑 嚣。这秘痰翊 场合震要实露臻挺手据盎簸瀵叛主靛x ，￥方囱夔璺稼，麸； | ；藏舞l 遂手撵已经移剜侍么经麓了，麸； | i 光 枣番将嚣鞠斑豹移动。这秘瘟瑁其实也霹娃露成姥上嚣掰霆示鹃滢条熬复杂应瑚，鄄将掰个澍条在x ，￥ 方蠢级台在一起，扶两可鞋丽时篮测x y 两个方囱豹位置 s 1 5 拟 p s o c m 8 。数字，模 无7 j k1 3 拟 1 2 第一二章p s o c 架构及j 总线的研究 表3 混合信号可编程s o c 比较f 2 2 l 设鲁 f i hm i c t os r m1 1 0 可编程特大概成 ( b y e ) ( b v 薯) 性 舂 p s o c 1 6 k4 m l p sm2 钻 可壹1 2 楱饭 s 3 2 4 m h z + 8 致字 模块 片上扳豁 蕃 f 评s o c 无 2 p s8 0 5 l6 k 可壹1 模损 $ 1 5 4 8 m h z + 9 6 薮字 c l b i f m + m眶在m f f u2 m i p s8 1l 孵 可壹2 模拟1拈+ 臼 c u + j 印队中 8 z 固定 + 1 7 = s 渤 8 b d a c + 1 5 9 6 盏字 c m 通过表l 、表2 和表3 的比较，可以看山c y p r e s s 的p s o c 具有如f 的优缺点 l 、以较低的成本在单芯片中集成了数模混合电路。 2 、模拟模块的功能比较齐全。 3 、数字模块的功能较弱。 4 、该设备的s r a m 空问比较小，不宜进行计算量人的设计。 5 、以上设备中都集成了8 位微处理器核，计算能力较弱。 基丁：以上考虑，本章第= 节提出一种新的p s o c 结构。 2 2 片上总线 片上系统是在单芯片上实现全部电子系统的集成，通过使多个设备集成在一个芯片上，实现系统级 的功能，减少甚至不再需要使川外部器件，达剑麻圳功能的快速实现、灵活修改以及方便升级。进行片 上系统设计时，首先要考虑的是系统的体系结构。片上系统再个i p 核之间采h j 何种方式进行通信呢? 是 采_ l j 点到点通信方式还是片上总线通信方式。通信方式的优劣将严重地影响系统的功能。冈此进行片上 系统设计时，为了提高开发模块的重复利用率、降低开发成本，采_ l j 了片上系统( 芯片内部) 总线。片上 系统总线为_ l i j 户提供了一个“理想”的环境：片上系统模块间不会面临干扰、匹配等系统问题，但是系统 的时序要求异常严格。 由t o p e n c o r e s q l 其它致力丁开放知识产权( o p e ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 组织的人力推j ( 开发设计了 人姑基r 标准化片上总线的免费模块) ，圳户在片上系统总线的选择更倾向1 ：采川那些标准化、开放化 的方案。l 1 前，业界采h j 比较多的标准化、开放化的总线方案包括：i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、a r m 公 司的a m b a ； t l s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 。 2 2 1i b m 的c o r ec o n n e c t 总线 c o r ec o n n e c t 总线定义了一个清晰的结构，囊括了所有系统组件及其之间的连接。如图2 7 所示，总 共设计了3 种总线和一个高性能总线与低性能总线连接的桥，分别是o p b ( o n c h i pp e r i p h e r a lb u s ) 、 p l b ( p r o c e s s o r l o c a lb u s ) 、d c r ( d e v i c e c o n t r o l r e g i s t e r b u s ) 总线雨i o p b 桥。o p b 总线连接外部设备：p l b 总线连接处理器、外部高速缓存和高速存储器，足解决处理器运茆瓶颈的总线：d c r 总线将所彳 j 士接 在p l b 上的模块通过菊花环的方式进行互联配置，通过d c r 总线米分配配置信息，减少对o p b 雨i p l b 总 线带宽的f l i 用：o p b 桥实现了p l b 总线_ 手i i o p b 总线之问的互连。l q 为p l b i i o p b 的性能若异，所以改计 中o p b 桥在o p b 总线端相当1 二一个主o p b 设备，而在p l b 总线端则相当丁一个从p l b 殴备。这样当从p l b 3 东南人举颂l ：学位论文 坡餐发出信号时，主o p b 漫蚕根据可按收情况避循势挥、重发等等。 馨一一, a h t 一卜 量 掣甲 t j ! 南坠 d 卤由 g e 2 2 2a r m 的a m b a 总线 图2 7c o r ec o t m e c t 总线结构 幽2 8a m b a 总线结构 如图2 8 所示，a m b a 总线也设计了3 种总线绪构和一个总线之间的桥，分别是a h b ( a d v a n c e d h i g h p e r f o r m a n c eb u s ) , a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) ，a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 总线平i i a p b 桥。珂；同的 憨a h b a s b 总线是并列的关系。a h b a s b 总线都越系统总线，都可以实现高性能设备之间的连接。a s b 总线媳a r m 的第一代总线，但是a r m 建议在新的设计中使, t | j a h b 总线。因为a h b 总线不仅可以实现 爨南性能的迎接，而且在使j h a s l c 开发的自动故计具中整台起来更容易。a h b 总线是为黼性能、商 时钟频率系统模块设计的总线，能够对处理嚣、片上存储器、片外存储器接日以及低功耗夕 瞬殴器模块 避 窍效躲互连。a p b 桥静珐能只是减少 氛健缝总线对赢性耱总线造成的延迟。a p b 是为低耽耗外阐敬 器宏援块鲍鱼连瑟没诗的，a p b 已将磅糕谯倪翻疆套，弗舞拖了终嗣菠蠡摸袭躲接疆凌诗。 2 , 2 3s i l i e o r e 魏w i s h b o n e 总线 圈2 9w i s hb o n e 总线结梅 魏嚣2 ，9 掰示，w i s h b o n 蓥线楚这二秘慧线缝秘唾 l 最藏攀瓣一弹，两量足定义7 一争争慈线缎秘赢 逶慧线。颤粟一个系统蕊需受裹建瑟线，也露簦低速羚嚣菠备总线，剿w 鞋提供涎个不强瓣w i s h b o n e 接翻，这比瑾诗嚣个不朝麓接口要篱挚。w i s h b o n e t l 户磐须按器其镩情躔对癸议称罐避 扩麓霉l 详细 设； ，定义数据顺序番 标签黪意义。其它麓特性秘函数 罐样可班由弼户自 ：i 二添栩。扶这个意义上说， w i s h b o n e 妥像廷绘出了一个框架，等待删户提出j 体的实现方案索l 规范。 1 4 第一二章p s o c 架构及其总线的研究 总之，从上面的三种结构可以看到，这二种总线的设计程度是重、中、轻三个等级。i b m 的 c o r e c o n n e c t 是重度设计，适合复杂黍i 高端的麻，需要遵守严格的操作协议；a r m 的a m b a 是中度设 计，适合较复杂的应用，需要遵守较简单的操作协议；而w i s h b o n e 是轻度设计，适合简单、灵活、增 加臼己定义部分的应用，使用是完全免费的。 i b m 的先天优势使c o r e c o n n e c t 能在业界跃期存在，即便其不被广泛接受。由于a r m 的人力推广和 a m b a 自身的技术特性，这种总线协议会在人多数应圳领域被更多的设计者采用；而由t o p e n c o r e s 组 织的大力支持，w i s h b o n e 总线也将在比较k 的时间内，在自由设计者和中小型e d a 企业中占据主导地 位。 2 3 新的p s o c 结构 最缆棼线簸琏盛线 图2 1 0 新的p s o c 结构 通过前面的研究发现，虽然每一种结构都有其自身的特点，但是也有其不足。本节就是在前面研究 的基础上，提出一种新的p s o c 架构。这种新的结构主要是在综合a l t e r a 和t c y p r e s s 的可编程片上系统结构 提出来的。这种新的p s o c 结构如图2 1 0 所示，从图中可以看出这种结构土要包括可编样数字模块 ( f p g a ) 、可编程模拟模块、微处理器核以及这些模块之间的连接。这种新的结构应该具有如卜的特点： l 、微处理器采h j 3 2 位r i s c 结构，加快系统的运算性能。 2 、由f p g a 实现的可编稗数字模块，提供用户方便灵活的逻辑功能设计。 3 、功能比较全的模拟模块。 4 、各个模块间通信要既简单又灵活。 5 、通_ i j 可编程i o 单元。 2 4 本章小节 p s o c 作为s o c 技术的分支之一，其重点研究内容也是基于i p 核的设计。本章重点研究的问题是可编 稃s o c 结构以及i p 模块之间的连接方式片上总线。可编程结构从功能上可分为数字删、模拟型和混 合信号础。目前片上系统总线的选择更倾向丁| 采川那些标准化、开放化的方案。目前，业界采朋比较多 的标准化、开放化的总线方案包括：i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、a r m 公司的a m b a j ：l l s i l i c o r e 公司的 w i s h b o n e 。而全新的p s o c 架构主要是住综合a l t e r a 年| i c y p r e s s 的叮编程片上系统结构提山米的。 寒辩久学矮 ：学氆 鑫文 第三章c y p r e s s 的p s o c 架构及其开发流程 本章侄第一二章的鹱础上，详细地研究c y p r e s s 的p s o c 架构及萁歼发流程。 3 1c y p r e s sp s o c 静俸系结 奄 2 0 0 0 年c y p e s s 偶导并推出了完全基丁通用i p 核，由可编程选择来构成产品s o c 。这种可编程选择 的s o c 取名为p s o c ，它是由基本的c p u 内梭( m 8 c ) 和预设外围部件组成。c y p r e s s 将多种数字和模 拟器件、微处理器、处理器外嗣单元、外闱接口电路集成到p s o c 上。在周嗣集成的模拟莉i 数字外嗣器 f ：阵螂都是动态可配黢的，翻嬲芯片内部的可编樱互连阵列，可以有效的配置芯片上的模拟翱数字资源， 这翻呵编程冀上条绒静毯豹。对 援户来滋。袋舞接产蒹戆功缝米逸铎秘瘟豹璐蔻模块，扶；f l i ! j 蟊【l 邑 的产晶系统。因为p s o c 系统都是可动态熏秘瓣，簌丽使得搜诗人爨裁够随意戗建新的系统功能。由】： 能够在不同的时间针对不同的功能对同一醚片进行重构，因此，设计人员在许多情况下可以实现超过 1 2 0 的芯片利用率。 3 2p s o c 的结构缀成 图3 1 米缀配置的p s o c 的内部絮构 p s o c 是美国c y p r e s s 公司推出的一款混台信号模组f | 勺片上控制器设释。这种设备用孽、低成本可 编狴：卷片取代了传统的基于m c u 的系统。 鹭3 1 跫未经配鬣的p s o c 的内帮架稔，p s o c 的特色体瑗在t 嘲审赫编右部分的黄魏嚣域。代表了 w 编程的资源一匕方烂可编程的数字模块，也就是说可以通过编氍实现数字功能，如i i c ，s p i ，u a r t ， p w m 锋，每编样窑观了个数字功能后就t i 左了一定的数字资渊模块。卜方是r u 丁编群的模拟模块，也 就是说可以通过编料实现模拟功能，女n f i l t e r ，b u f f e r ，a m p 芬，每编程实现了一个模拟功能后就 t i 击了一定舶模拟资源模块。由于各个数字戚棋拟功能最终都是戮通过引线迮到外部引脚l 击的，闶此， 谯豳申兹矗边匿域，魁幽联总线和辨邦g 脚，通过肉联总线将输入蠊出信号最终定义矧蕊冀翘管脚。 1 6 第三章c y p f e 的p s o c 架构及其开发流程 图3 2己配置硬件功能的p s o c 的内部架构 图3 2 是已配置硬件功能的p s o c 的内部架构，它与图3 1 的唯一的区别是黄色部分的数字，模拟资源， 图3 1 中黄色部分是空白的，表示还没有编程，即资源还没有被消耗，而图3 2 中，上方的数字资源部分 已经编程实现了u a r t ，a d c 和p w m 功能。并且消耗掉了3 个数字资源，还剩7 个数字资源可供编程使 用；下方的模拟资源部分，已经编程实现了a d c 和f i l t e r ，还剩8 个模拟资源可供编程使用。 另外透过这张图，可以清楚地看出c y p r s 的p s o c 主要由p s o cc o r e 、数字系统模块、模拟系统模块 再加上系统资源、f o 端口以及系统总线等组成。 处理器内核 p s 0 c 处理器c y 8 c 2 6 ) 泓，2 7x x x 系列组件使用强大的8 位处理器核f f ( m 8 cc p uc o r e ) ，m 8 c 具有 独立的程序内存和数据存储器总线，处理器速度可达2 4 m h z 。拥有丰富的m 8 c 结构指令系统，并可进 行i o 和内存上的位操作。c p u 核心具有完善功能的快速乘加运算能力。p s o c 系统所有处理器中都有一 个乘加器( m a c ) ，m a c 能执行带符号的8 x 8 乘法运算和3 2 加法运算。 内部存储器 m 3 t 3 是内部存储器地址空间分布，包括4 _ 一1 6 k 字节的闪存( h a s hp r o g r a mm e m o r y ) 以及2 5 6 字节的 s r a m 数据存f 黼( s r a mm e m o r y ) 。此外，系统具有串行编程功能( i ns y s t e ms e r i a l p r o g r a m m i i l g - 一i s s p ) 1 7 东南人学硕i ：学位论文 目 “ ”尚”j ， ： 卵a l 掌嚣ll 黜ll i i 撼l l _ j p o r 1 u 糊h j p 柑 h ， “ 图3 3 内部存储器地址空间 通用i o p s o c 的每个i o 功能可编程选择。仿真输出驱动可达4 0 n a ，可输山最人驱动电流达2 5 m a 。所有； 脚都能作为中断源产生中断，并可选择触发形式。 晶体振荡器 主要有内部2 4 4 8 m h z 的主振荡器( 误差十2 5 ，没有外部补偿) ，一个3 2 7 6 8 k h z ， b 部晶体振荡器( 可 对p l l 选定精度) 和内部低速振荡器( 一般作为数字p s o c 模块和看| j 狗睡眠定时器的时钟) 。 专用功能 包括看门狗睡眠模式定时器( w a t c h d o g s l e e p t i m e r ) 、可设定电压的低电压检溯j ( l v d p o r ) 、中断控 制器( i n t e m i p tc o n t r o l l e r ) 、取样抽取( d e c i m a t o r ) 、芯片温度感应器和芯片电压参考。 p s o c 数字模块 圈3 4p s o c 数字模块 1 8 第三章c y p r e s s 的p s o c 架构及其开发流程 图3 4 是p s o c 数字模块。系统将数字模块分为两部分：数字基本模块和数字通信模块，其中d b b 0 至 d b b 3 是4 个数字基本模块，而d c b 4 至d c b 7 是4 个数字通信模块。 p s o c 数字模块提供了8 个8 位多用途的定时器计数器，该模块具有支持多事件定时、实时时钟、和 循环冗余检奄( c r c ) 。而通用异步收发器和串行周边接口通信功能仅仅在数字a 类通信模块中能够实现。 特别需要指山的是d b b 3 、d b b 2 1 1 d c b 6 具有特殊的使用功能：d b b 3 是广播模块，可以输出、可直接 作为时钟或数据直接输入剑所有的数字模块，d b b 2 和d c b 6 之间可选的连接可以支持d e l t as i g m a 和增 量式a d 转换。 图3 5 是数字模块包含的寄存器。数字模块的寄存器主要包括两部分即1 区寄存器( 图3 5 中的配置寄 存器) 和0 区寄存器( 图3 5 中的数据寄存器和控制寄存器) 。 i 功能寄存器( d b a f n - d c a o t f n ) r 配置寄存器 输入寄存器( d b a 0 0 1 n - d c a o t i n ) ll 辕出寄存器( d 】m 舢1 0 u d c a d 7 0 u ) l， 教字模块if 数据0 ( d b a 0 0 d r 0 - d c a 0 7 d r 0 ) i 数据寄存器 簸据l ( d b a 0 0 d r l d c n i t d r l ) ll 数据2 ( d b a o o d i e e - d c a y 7 d r 2 ) l o 控制寄存器( d b a 0 0 c r 0 - d c a 0 7 c r 0 ) 图3 5 数字模块寄存器 p s o c 模拟模块 p s o c 芯片的模拟模块共包括1 2 个模拟p s o c 块，按类型分为二种：连续时间( c o n t i n u