PSoC系统中组织结构及内核原理分析
PSOC原理及操作教程
PSOC原理及操作教程Theory and Operation of PsoC（草稿）(Draft)北京理工大学汽车电子技术创新中心(AETC)BIT-Automotive Electronics Technical Innovation Center 2007年6月内容介绍汽车已经进入了电脑时代，单片机（微控制器）是汽车电子系统的核心。
随着单片机/微控制器技术的发展，出现了新的SoC（System on Chip单片系统）技术，它将固定的单片机系统模块化，通过编程实现灵活配置，将模拟处理电路集成到系统中，具有体积小、成本低、使用灵活的特点，具有广阔的发展空间。
本教程结合美国赛普拉斯（Cypress）公司的Psoc进行介绍，包括Psoc特点、原理，结合程序设计实例进行介绍。
本教程为AETC中心本科生全校实验选修课操作教程，也可作为Psoc初学者的入门参考教程。
目录第一章概述 (4)1.1 什么是SOC？ (4)1.2 PSOC与单片机相比的特点 (4)第二章PSoC的结构与特点 (6)2.1 PSOC的总体结构 (6)2.2与传统单片机系统设计方案的比较 (9)第三章PSoC集成开发环境 (11)3.1 PSOC Designer的安装 (11)3.2 PSOC IDE的使用 (15)3.3 器件编程器 (19)3.4 连接用户模块 (22)3.5 管脚互连 (23)3.6 应用程序编辑器 (27)3.6 调试 (29)第四章PsoC程序设计示例 (32)4.1 A/D采集与LED显示 (32)4.2 数字脉宽调制PWM模块实验 (36)4.3键盘中断和定时器溢出中断实验 (37)4.4 AD、DA和LED显示实验 (41)4.5电压比较器模块的使用——正弦信号到方波信号的转换 (43)4.6动态重配置实验 (45)附录PSoC功能描述 (51)3.1 PSOC内核 (51)3.2 PSOC可编程数字系统 (60)3.3 PSOC可编程模拟系统 (67)3.4 PSOC系统资源 (71)第一章概述1.1 什么是SOC？把微处理器、存储器、高密度逻辑电路、模拟和混合电路，以及其他电路集成到一个芯片上，构成一个具有信号采集、转换、存储和I/O处理功能的系统，称为片上系统（SoC-System on Chip）。
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第二章PSoC的结构与特点
使用PSoC Designer 4.3前需要激活PSoC C语言编译器，按照以下步骤激活：
（1）：打开PSoC Designer 4.3；
（2）：执行Tools>>Options;
(3): 单击Compiler选项；
（4）：输入PSoC C语言编译器的授权码；
（5）：阅读授权协议，单击OK完成激活。
5.与传统意义上的单片机系统相比，PSoc最大程度地实现了系统单片化的目标，也减少了PCB的面积。和其他架构的SoC相比，PSoc在保证以更简便方式实现更多更灵活功能和具备较高性能的前提下，达到了迄今为止最高的性价比。图2.3中左边的PCB板是采用传统单片机的设计方案，右边的PCB板是在实现与左图相同的功能的前提下采用PSoc的设计方案，从图中明显的可以看出采用PSoc的设计方案节省了大量的元器件，PCB板的面积也相应的小了很多。
2.1.3模拟系统
PSoc的模拟系统包括全局模拟互连（GAI），基本模拟PSoc模块阵列、 模拟信号基准电压发生器、模拟信号输入多路选择器等几部分组成。模拟系统模块最多包括四个模拟列，12个模拟模块，不同的设备具有的模拟模块的数目不同，参见表2-1。每一个可配置的模块都是由一个拓扑电路组成，该拓扑电路允许用户创造复杂的模拟信号流。
每一个模拟列包括一个B类连续时间模块（ACB）、一个C类开关电容模块（ASC）、一个D类开关电容模块（ASD）。
深入解析操作系统内核
深入解析操作系统内核操作系统内核是计算机操作系统中最核心的部分，负责管理和协调计算机硬件资源，为应用程序提供运行环境。
本文将对操作系统内核进行深入解析，探讨其主要组成部分、功能以及关键技术。
一、操作系统内核的主要组成部分操作系统内核由若干模块组成，每个模块负责不同的功能。
下面将介绍操作系统内核的主要组成部分：1. 进程管理模块进程管理模块负责管理计算机中正在运行的进程。
它控制进程的创建、调度、切换、终止等操作，确保多个进程能够公平地共享计算机资源，提高系统的效率和稳定性。
2. 内存管理模块内存管理模块负责管理计算机的物理内存和虚拟内存。
它通过内存分配、回收和页面置换等策略，有效地利用有限的内存资源，并为应用程序提供统一的地址空间，简化编程和保护进程的内存隔离。
3. 文件系统模块文件系统模块负责管理存储在磁盘中的文件和目录。
它提供了文件的创建、读取、写入、删除等操作，为应用程序提供了持久化的存储方式，并通过目录结构和权限管理等功能，保护文件的安全性和可靠性。
4. 设备管理模块设备管理模块负责管理计算机中的硬件设备，包括输入输出设备、存储设备、网络设备等。
它通过设备驱动程序和中断处理程序，实现与硬件设备的交互，为应用程序提供简单和统一的接口。
二、操作系统内核的功能操作系统内核有多项重要功能，下面将介绍其中几个关键功能：1. 系统调度系统调度是操作系统内核的核心功能之一。
它根据不同的调度算法，决定哪个进程优先执行，如何分配CPU时间片和资源，以实现公平、高效的进程调度策略。
2. 内存管理内存管理是操作系统内核的另一个重要功能。
它负责分配和回收内存空间，管理虚拟内存和物理内存的映射关系，实现进程间的内存隔离和共享，以保证系统的稳定性和安全性。
3. 文件管理文件管理是操作系统内核的基本功能之一。
它提供了文件的创建、读取、写入、删除等操作，管理文件的组织结构和权限设置，实现文件的可靠存储和访问。
4. 设备管理设备管理是操作系统内核的必要功能。
操作系统内核原理解析
操作系统内核原理解析第一章：概述操作系统内核操作系统内核是计算机系统中最为核心的部分，承担着资源管理、进程调度、文件系统管理等关键职责。
本章将从概念、功能和结构等方面进行操作系统内核的概述。
1.1 操作系统内核的概念操作系统内核是操作系统的核心组成部分，它是操作系统与硬件之间的接口，负责管理和控制计算机系统的硬件资源，提供服务和接口供上层应用程序使用。
1.2 操作系统内核的功能操作系统内核的功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理、设备驱动程序和系统调用等。
进程管理负责创建和管理进程；内存管理负责对内存资源进行分配和回收；文件系统管理负责文件的存储和检索；设备驱动程序负责和硬件设备进行交互；系统调用提供给上层应用程序使用的接口。
1.3 操作系统内核的结构操作系统内核的结构通常分为单内核结构、微内核结构和外内核结构等。
单内核结构将所有功能都集中在一个内核中；微内核结构将内核功能划分为多个模块，每个模块负责一个特定的功能；外内核结构将内核开放给用户进行修改和扩展。
第二章：进程管理进程管理是操作系统内核的重要功能之一，负责创建、撤销及管理进程，为进程提供运行环境。
本章将从进程的概念、状态转换和进程调度等方面详细解析进程管理的原理。
2.1 进程的概念进程是程序的一次执行过程，它是操作系统资源分配的基本单位。
每个进程都有自己的程序计数器、寄存器、堆栈和内存空间等资源。
2.2 进程的状态转换进程在其生命周期中会经历多个状态，包括创建、就绪、运行、阻塞和终止等。
进程的状态转换是按照进程的需求和系统资源的可用性进行调度的。
2.3 进程调度进程调度是操作系统内核为进程分配CPU时间的过程。
常见的调度算法包括先来先服务、最短作业优先、轮转调度和最高优先级调度等。
不同的调度算法具有不同的优缺点，需要根据实际情况选择合适的算法。
第三章：内存管理内存管理是操作系统内核的另一个重要功能，负责管理计算机的内存资源，为进程提供内存空间。
PSOC原理及操作基础教程
PSOC原理及操作教程
SOC又称为系统级芯片，它的设计称为集成系统的设计。集成系统和集成电路的关系相当于集成电路和分立元件的关系。在设计过程中，设计者面对的不再是电路芯片，而是能实现设计功能的IP核库。设计者不必要在众多的模块电路中搜索所需要的电路芯片，只需要根据设计功能和固件特性选择相应的IP核。这些IP核将被集成系统复用。这种设计方法从传统的集成电路设计转向集成系统设计，从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密地结合在一起，在单个芯片上完成整个系统的功能，设计的重心也从逻辑综合、布局布线转向系统的设计、软硬件的设计以及仿真，它的设计必须是从系统行为级开始的自上向下的设计方法。采用集成系统的设计方法完成同样功能所需的晶体管的数目可以降低很多。集成电路设计方法向集成系统设计方法的转变，不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果。
图2.3 PSoC与采用传统单片机的设计方案对比
第三章PSoC集成开发环境
3.1 PSOC Designer的安装
PSoC Designer是Cypress公司用于PSoC芯片开发的集成开发环境。该软件支持C语言、汇编语言及二者混合编程。
3.1.1软件安装步骤
（1）：将Cypress公司的光盘放入电脑，就出现下面的安装界面：
图2.1 PSoc的整体结构
2.1.1 PSoC内核
PSoC内核是一个功能强大的处理器，支持丰富的指令设置。它包含CPU内核、用于数据存储的静态存储器SRAM、用于控制程序在一个新地址中短暂执行的中断控制器、睡眠和看门狗定时器和一组包括锁相环、内部主振荡器、内部低速振荡器和外部晶振的时钟源。这些时钟和系统资源中的可编程时钟分频因子一起使得把几乎所有的定时需求集成到PSoc设备中成为了可能。
PSoC模拟系统.ppt
模拟阵列
模拟模块阵列结构如右图 所示
模拟模块以纵向方式排列 不同型号的PSoC芯片，
其模拟模块的列数不尽相 同，一般为1列、2列或4列 通常每一列包括1个B型连续时间模块（ACB）、1 个C型开关电容模块（ASC）和1个D型开关电容模 块（ASD）。
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模拟模块功能
PSoC可编程模拟模块可以配置成许多外围设备功 能，减少了M8C对外围器件的需求。由一个或多 个模拟模块或者模拟模块与数字模块一起，可以 配置成多种用户模块功能，如可编程增益放大器、 电压比较器、低通滤波器、带通滤波器、A/D转 换器、D/A转化器等。
CT模块还包含一个低功耗的比较器，其输入输出与主放 大器相同，它是用来在低功耗休眠模式下，主放大器停用 时提供一个比较输出数字信号。
CT模块有3个独立的且分别连到相应总线的输出：模拟信 号输出总线（ABUS）、比较器总线（CBUS）、局部输 出总线（OUT，GOUT，LOUT）。
13
连续时间模块（CT）（续）
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模拟列时钟配置
模拟阵列的开关电容模块需要两相互补的时钟信号。 每列均有开关电容模块，因此每列都有一个模拟列时钟发
生器，列中所有模拟模块共享其时钟输出信号。 时钟发生器的输入时钟源有4个：VC1、VC2、ACLK0和
ACLK1，通过CLK_CR0寄存器来选择。 VC1和VC2是系统全局时钟；ACLK0和ACLK1则由数字模
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模拟数据总线（ABUS）
模拟数据总线使模拟模块阵列及模拟系统寄存 器与CPU系统数据总线相隔离，减轻了系统数 据总线的负荷。
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模拟比较总线（CBUS）
每个模拟模块列都配有一个比较总线，每个模拟模块的比 较器输出可以驱动这个总线，但每列同时只能由一个模拟 模块驱动该列的比较总线。比较总线的输出可作为数字单 元的输入，也可作为抽取器（Decimator）的输入，或中 断触发信号。
PSoC
PSoC(可编程片上系统)PSoC(可编程片上系统)是Cypress半导体生产的包含有8位微处理器核和数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统。
其应用领域与8位的MCU相同。
区别于8位的MCU，PSoC的周边数字资源(如定时器、PWM、UART等等)和周边模拟资源(放大器、比较器、滤波器等等)以数字模块和模拟模块的方式提供。
不同型号的PSoC芯片的差异主要在于其拥有的数字模块和模拟模块的数量的不同。
用户可以根据自己的需要来定义这些模块。
PSoC的集成开发环境PSoC Designer也预先为用户定义了七十多个常用的数字和模拟资源供用户选择。
如数字资源有:定时器、PWM、UART、SPI、CRC、PRS等等；模拟资源有放大器、比较器、滤波器等等；AD和DA转换器由若干数字模块和模拟模块组合而成。
所有这些预定义的模块被称之为用户模块。
PSoC Designer也为用户提供这些用户模块的API函数供用户编程时调用。
在PSoC Express出现以前，开发PSoC的应用项目与MCU的应用开发相似，使用PSoC Designer集成开发环境根据项目的需要调用和配置资源(用户模块)，编写代码(C或汇编)，编译，调试….现在由于PSoC Express可以在更高的抽象概念水平上运行，且无需汇编或C的软件开发，因此设计人员只需要数小时或数天时间即可完成对PSoC器件的新设计开发、仿真及编程，而不再耗时数周乃至数月。
由于其采用无缝多重处理器架构、具有设计可视化功能，包含丰富的驱动程序库和多种传输函数的评估器以及软仿真功能，因此系统开发工程师采用PSoC Express工具能够更快地完成设计工作，并实现更高的可靠性。
在PSoC Express中，尤其值得提到它的Monitor功能，它使得PSoC的无代码、可视化应用开发变得透明化。
对某些比较复杂的应用，需要及时调节或修改某些参数时，不会再有那种捉摸不定和黑匣子的感觉。
第三部分 PSoC 存储子系统
8051 CPU
外设集线 器PHUB
CPU 接 口
PHUB 接口
SRAM BANK0 （1KBX32） SRAM BANK1 （1KBX32） ）
测试控 制器TC 制器
SRAM BANK2 （1KBX32） ）
CY8C38 SRAM的结构 的结构
PSoC3/5 存储器系统 --静态存储器SRAM --静态存储器 静态存储器SRAM
PSoC3/5 存储器系统 --静态存储器SRAM --静态存储器 静态存储器SRAM
静态存储器SRAM用来暂存数据。PSoC3中SRAM的容 静态存储器SRAM用来暂存数据。PSoC3中SRAM的容 量最大为12kB（ 个块），8051 CPU和DMA控制器均可访 量最大为12kB（3个块），8051 CPU和DMA控制器均可访 问SRAM。 SRAM。 如果访问不同的4kB块，8051和DMA控制器可以同步 如果访问不同的4kB块，8051和DMA控制器可以同步 访问SRAM。 访问SRAM。
PSoC的EEPROM是字节可寻址的非易失性存储器。 PSoC的EEPROM是字节可寻址的非易失性存储器。 PSoC3有最大2kB的EEPROM空间用于保存用户数据。 PSoC3有最大2kB的EEPROM空间用于保存用户数据。 对EEPROM的读操作通过随机访问的方式实现，而 EEPROM的读操作通过随机访问的方式实现，而 对EEPROM的写操作是通过发送写命令到EEPROM的编 EEPROM的写操作是通过发送写命令到EEPROM的编 程接口实现的。 在EEPROM写操作过程中，CPU能从FLASH继续执行 EEPROM写操作过程中，CPU能从FLASH继续执行 代码。 EEPROM分成两部分，每部分包含64行，每行16个 EEPROM分成两部分，每部分包含64行，每行16个 字节。由于EEPROM中没有ECC硬件，因此不能在 字节。由于EEPROM中没有ECC硬件，因此不能在 EEPROM中执行程序。如果需要ECC，则必须在固件中进 EEPROM中执行程序。如果需要ECC，则必须在固件中进 行处理。
嵌入式系统原理与应用EMB-2 PSOC5中央处理器与存储器-精选
精选课件
SYSTICK定时器
SysTick定时器集成在NVIC中，产生SYSTICK 中断。 在实时系统中用于任务管理。片内有1个24位 可重加载的寄存器，递减计数器的值。 使用Cortex-M3内部时钟或PSoC5时钟。片 内有2个寄存器控制时钟源： 第1个是Cortex-M3寄存器 NVIC_SYSTICK_CTL，选择时钟源来自内部 或者外部(默认)。 第2个是PSoC5寄存器PANTHER_WAIT总线接口： 加载指令的I-Code总线； 加载数据的D-Code总线； 从存储器器区域0x20000000 ~ 0xDFFFFFFF 和0xE0100000 ~ 0xFFFFFFFF。 外部的私有外设总线，用于调试元件。 调试访问端口，用来连接调式接口模块。
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存储器空间映射
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存储器空间映射
Cortex-M3具有线性32位(4GB)地址空间。 包括2个位带别名区域，分别用于SRAM空间 和外设空间。
访问1个位带别名区域影响相应位带区域内单 独的位。 2个位带中的地址除可以象普通RAM一样使用 外； 还可以有自己的位带别名区，位带别名区每 个比特膨胀为32位的字。
Cortex-M3结构特性 流水性结构 寄存器 操作模式 Systick定时器 存储器空间映射 异常及处理
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CORTEX-M3内核特性
Cortex-M3特性还包括 使用硬件除法指令， 低延迟中断服务程序ISR入口和退出特性。
还包括其它模块，与CPU紧密连接在一起。 嵌套中断控制器(Nested Vector Interrupting Controller - NVIC)， SYSTICK定时器和 众多的调试和跟踪模块。
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
PSoC内核系统
PSoC内核是系统的核心部件，其总体结构如图所示
包括：CPU内核M8C、SROM 、Flash存储器、SRAM、中 断控制器、通用输入输出、睡眠、看门狗、一组时钟源
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
M8C CPU内核
中断控制器结构
由上图可以看出，一个中断从产生到传递到M8C核的中断请求端，需同时满足以 下条件：
l 硬件中断源产生中断，如定时器溢出或GPIO引脚产生中断； l INT_CLRx＝1（该中断没有被清除），即该中断成为一个提交中断（Posted
Interrupt）； l INT_MSKx＝1（该中断没有被屏蔽），即提交中断成为一个挂起中断
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
中断控制器
l 中断控制器为PSoC提供了一种程序转移机制，当 中断发生时，不用考虑当前正在执行的程序和任 务，就可改变流程，跳转到新的地址去执行中断 处理程序。
l 中断处理程序结束后，程序又将接着从发生中断 的地方往下执行。
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
（Pending Interrupt）； l GIE＝1，即全局中断使能打开。 l 优先级编码高的中断由
M8C核响应。
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
中断处理过程
l 激活中断请求 l 执行完当前指令 l 执行内部中断例程，需要耗时13个周期。在此期间，执行如下操作：
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
系统资源
包括： l 数字时钟 l 带32位累加器的乘法器 l 采样抽取器：用于数字信号处理 l I2C接口：能实现I2C主从设备功能 l 内部参考电压：1.3V l 开关式升压泵（SMP） l 模拟多路复用器 l USB接口：支持5个端点，全速12Mb/S l 系统复位
PSoC系统中组织结构及 内核原理分析
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2020/11/3
PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
PSoC总体结构图
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
PSoC内核
l 包括：CPU内核、SRAM、监控ROM（SROM）、Flash存储器、 中断控制器、睡眠与看门狗、一组时钟源
l CPU内核M8C采用哈佛（Harvard）结构 l 处理器时钟频率范围93.7K~24MHz l 24M时钟下可达4MIPS的运算能力
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
内部寄存器
M8C有5个内部寄存器，用于指令的运行，分别为
l 累加器（Accumulation，A） l 索引寄存器（Index，X） l 指令计数器（Program Counter，PC） l 堆栈指针（Stark Pointer，SP） l 标志寄存器（Flags，F） 除了指令计数器PC是16位，其余均为8位。
l CPU内核M8C采用哈佛（Harvard）结构 l 全面可配置的内部CPU时钟 l 2KB～32KB的Flash l 128B~2KB的SRAM l CPU内核可对所有用户单元组成的特殊功能寄存器进行存取操作，
这一能力使PSoC能对其所有用户模块进行全面重构 l 内核的功能部件可由系统总线通过通用I/O口与外部引脚构成连接 l 每个引脚具有8中不同的驱动模式，不同的驱动模式为外部连接提
1. 将PCH（PC［15：8］）、PCL（PC［7：0］）和CPU_F按顺序压栈； 2. 将CPU_F清0，此时GIE被置0，因此其他中断被暂时禁止； 3. 将PCH清0； 4. 从中断控制器读取中断向量并装入PCL中；此时PC就指向中断向量表中的合
适地址，比如，对于GPIO中断，此值为001Ch。
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
SRAM
l M8C是一种8位CPU，8位地址总线用于SRAM和寄存器的 寻址，寻址范围仅为256Byte。
l 为提高SRAM的容量，PSoC对其SRAM采用了分页存储 结构。
l 这里需要用到3个页指针寄存器和标志寄存器的PgMode 字段，由它们共同决定所访问的SRAM页，而由地址总线 上的地址决定访问该页的哪个存储单元。
器、PWM等 l 多个DBB可以组成一个超过8位的数字用户模块 l DCB可以配置成主或从SPI模块或全双工UART模块 l 每个DBB或DCB的输入和输出都可以通过行输入总线、行输出总
线或行广播总线与其他数字单元相连，也可以经由行输入或输出 中线到全局输入或输出总线与通用I/O相连 l 数字单元的输出也可作为模拟RC单元的时钟同步信号
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
可编程模拟系统
l 模拟阵列按列排列，1、2或4列 l 每一列有3个基本模拟单元 l 每一列的第一个单元被称为连续时间模拟单元
（CT），第二、三个单元被称为开关电容模拟单元 （SC） l 每一列都有一个输入时钟多路选择器，可选择系统时 钟或来自数字单元的时钟信号，主要用于SC单元， 其大致决定了模拟输入信号的带宽 l 每一列还有一个模拟总线和一个比较总线
供了强大的灵活性，引脚上高低电位变化或最近一次读操作时引 脚上数据的改变都会触发一次外部中断
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PSoC系统中组织结构及内核原理分 析
可编程数字系统
l 由1～4个数字行组成， l 1个数字行包含4个基本数字单元 l 4个数字单元包括2个数字基本单元（DBB）和2个数字通信单元
（DCB） l 都可以配置为具有独立功能的数字用户模块，如：定时器、计数
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地址空间
M8C具有三块地址空间：ROM、RAM、寄存器
l ROM包含SROM和片上Flash l Flash被分配成64Byte的若干小块 l 寄存器地址空间（512Byte）被分配成两组，即
Bank0（配置空间）和Bank1（用户空间）。通 过设置标志寄存器（F）的XIO位可以实现对两组 寄存器区的选择