PSoC™可编程片上系统的开发

今年是赛普拉斯半导体（现为英飞凌科技股份公司旗下的一员）开发的PSoC™可编程片上系统推出20周年。技术演进贯穿半导体行业始终；20年前，市场焦点是针对微控制器的需求迅猛增长。半导体的本质在于，必须找到一个细分市场，并迅速扩大市场体量。高昂的研究、开发和生产成本，使得先发优势法则对该行业非常适用.

在20世纪80年代末，赛普拉斯半导体拥有一个基于其SONOS（氧化硅氮氧化硅）工艺的复杂可编程逻辑器件（CPLD）系列。除了CPLD系列，赛普拉斯还利用SONOS工艺开发了鼠标控制IC，以及后续的USB控制器。这些特定用途集成电路（ASIC）的核心都是微控制器（MCU）内核。PC USB 外设市场和迅速普及的图形界面，显示出了对这些ASIC芯片的巨大需求。存储器是赛普拉斯的另一重要产品线。

到21世纪初，赛普拉斯管理层迫切想要抓住微控制器市场机遇，但却面临诸多挑战。被几家公司主导的8位微控制器市场当时已经饱和。竞争对手占据该市场已有几十年，且拥有强大的8位MCU产品组合。如果以类似MCU产品进行市场竞争，其前景并不乐观。

通过与嵌入式系统工程师的闲聊，开发人员意识到MCU并未为他们提供大多数应用编程所需的一切。通常还需要众多模拟IC——如运算放大器和无源器件，以及其他数字IC。这些额外器件的总成本通常比MCU还高，这不仅提高了材料（BOM）成本，还需占用宝贵的电路板空间。

带着这一洞见，加上意识到混合信号可编程能力能为嵌入式系统开发者带来潜在价值，几位产品开发工程师找到了赛普拉斯管理层。他们提出，相比销售ASIC，也许将MCU内核与众多可编程模拟和数字功能封装在一起更可取。虽然这个创意似乎有着光明的前景，可为市场提供一款能脱颖而出的微控制器产品，但赛普拉斯仍决定由一家新成立的子公司Cypress MicroSystems（赛普拉斯微系统公司）来孵化这个概念。

最初的可编程片上系统产品PSoC™1，利用SONOS工艺构建了基于哈佛架构的8位24 MHz M8C微控制器内核和可编程混合信号阵列。与现场可编程门阵列（FPGA）一样，PSoC™也需要在启动时通过从闪存加载指令来配置其可编程单元。PSoC™可编程功能的一个关键方面在于，微控制器可以即时地重新配置。可编程功能可被加载至不同层级，从而允许PSoC™发挥完全不同的功能。模拟可编程单元为独立的电路功能——如运算放大器、比较器、计数器、计时器、脉宽调制器和开关式无源阵列——提供构建单元。单个单元可以相互连接，以形成其他功能，如模数转换器（ADC）、可编程增益放大器（PGA）或可编程带通滤波器。可编程通用数字单元（UDB）包含一系列基元逻辑门、串行通信接口和数字滤波器单元——见图1。

除了PSoC™的硬件设计，软件开发团队还编写了一款GUI配置器——Cypress PSoC™ Creator。

PSoC™一经推出便收获了嵌入式开发社区的喜爱。PSoC™ 1（赛普拉斯CY82Cxxxx系列）不仅提供MCU还提供一系列可编程模拟和数字功能，在业界尚属首次。有些开发者花了一些时间才弄明白赛普拉斯所开发的PSoC™的巨大意义，而有些开发者则是“秒懂”。忽然之间，就有了一种能够大幅减少元件数量和降低BOM成本的器件。许多开发人员还意识到，PSoC™是一种能针对许多应用进行重新配置的器件。除了使用昂贵、复杂的FPGA，PSoC™还是首次具备任何形式可重配置能力的微控制器。可重配置能力在原型和试生产阶段至关重要。工程师可在几分钟内纠正简单的电路板布局或引脚分配错误，从而节省巨大的NRE（非经常性工程）和返工成本。

PSoC™帮助大幅节省BOM成本的例子有很多，这里仅列举几例。

酒店房间门锁：一家门锁制造商为了改进产品设计而评估了PSoC™。现有设计包含一个磁条卡读卡器、一个MCU、读卡器、一些运算放大器、一个电磁驱动器和一系列无源器件。它还包含一个实时时钟和一个电池监视器。BOM总数达到90个元件。采用PSoC™ 1后，该公司将BOM总数减到了20个元件，使得电路板布局得到简化，且所用的层数减少。这个例子很好地体现了我们希望通过开发PSoC™来实现的目标。

自动售卖机：基于PSoC™的设计被用于通过测量电阻率来计算插入自动售卖机的硬币价值。通过使用一系列机电控制的操纵杆，硬币被输送至硬币箱。通过使用PSoC™可编程数字功能，超声脉冲被用于探测每个硬币箱中的硬币高度。当每个硬币箱的硬币达到预定高度时，PSoC™将自身重新配置成DTMF拨号器，并与控制系统通信以发起服务呼叫。当控制系统确认消息后，PSoC™将自身重新配置为硬币验证任务。在此，采用PSoC™同样可帮助大幅节省BOM成本，缩小电路板尺寸。

PSoC™的市场应用迅速增加，一些用例是实现完美匹配的自然之选，电容式触摸感应便是其中之一。21世纪初，手机市场开始用触摸屏取代传统手机键盘，并出现了个人媒体播放器。凭借PSoC™的可编程模拟单元，电容式触摸感应成为了我们的理想发力点。我们为此开发了一个专用的固定单元，并将其命名为“CAPSENSE™”，该名称一直伴随PSoC™的演变之路。

我们经常被问到一个关于PSoC™编号顺序的热点问题，即为什么没有PSoC™ 2。PSoC™ 1大获成功后，赛普拉斯微系统公司被重新整合到赛普拉斯半导体公司之中，并开始了PSoC™ 2的开发工作。半导体工艺在2005年前后发展迅速。我们的想法是，我们可以转向更小的尺寸，并使用更高电压级工艺来实现更好的电机驱动能力。现已完全并入赛普拉斯的赛普拉斯微系统公司不再是家初创企业，设计考量因素变多了。一个关键影响因素是赛普拉斯当时正在打造其新一代混合信号平台，也是PSoC™未来将要用到的。于是我们决定停止开发PSoC™ 2，转而采取130 nm 5 V工艺开始PSoC™ 3的开发。

PSoC™ 3 - CY8C3xxxx系列 – 实现了更强大的模拟性能；例如，相比PSoC™ 1中所用的12位模块，16位sigma-delta ADC（模数转换器）能够达到音速级运行速度。通过使用逐次逼近寄存器（SAR）转换技术，能以较低的数据速率实现20位性能。此外，闪存容量增加至256 kb，MCU内核变成流行的8051，它能够达到最高67 MHz的运行频率。

PSoC™ 3构成了PSoC™ 5 - CY8C5系列的基础。PSoC™ 5是PSoC™ 3的大型版本，标志着进入了32位80 MHz Arm Cortex M3 内核时代。PSoC™ 5拥有非常多的功能，以至于它被形容为片上面包板实验室。它非常易于操作，是构建复杂应用程序的理想之选。

PSoC™ 3 和PSoC™ 5均在2009年推出，使得在PSoC™ 1的基础之上大幅扩展了总可触达市场机会。赛普拉斯2009年的年报强调，PSoC™ 3的模拟能力使得能在设计中省掉30颗分立模拟IC，可以节省超过8.92美元成本 - 见图2。

到了2005年，竞争对手已接近我们凭借PSoC™建立的领先地位。PSoC™始终是性能、功能与成本之间的平衡，这也是我们十年来最为重视的方面。在PSoC™ 3和PSoC™ 5之后，我们的开发工作开始聚焦于优化器件的复杂性，以及改进睡眠状态下的功耗和性能。PSoC™ 4采用了运行速度能够达到48 MHz的32位ARM Cortex-M0内核，并实现了更小的几何尺寸。PSoC™ 4的复杂性大致位于PSoC™3和PSoC™5之间，且具备经过精细优化的电容式触摸技术。许多大型家用电器制造商迅速将其用到人机界面（HMI）应用中。由于能够驱动LCD面板，操控触摸感应界面，并提供控制功能，PSoC™ 4在许多市场体量大和成本敏感的消费产品中取得了巨大成功。

对HMI应用的重视最终促成了PSoC™ 6的开发，PSoC™ 6旨在满足日益增长的对小型电池供电设备的需求。PSoC™ 6基于40 nm工艺，具有PSoC™ 4的可编程能力，并采用运行频率高达150 MHz的Arm Cortex-M4内核，还额外增加了低功耗蓝牙收发器。此外，由于集成了X.509加密功能和基于硬件的可信执行环境，PSoC™ 6顺利地进入物联网设备和其他可穿戴电子设备中所用的灵活低功耗MCU的高增长市场。在双核PSoC™ 6版本中，增加了运行频率可达100 MHz的额外超低功耗Arm Cortex M0+内核。

从PSoC™ 1的低调出场开始，PSoC™将持续向前，不断前进。随着对可穿戴设备、可听戴设备和其他物联网应用领域的嵌入式系统开发人员的吸引力不断增大，我们将继续投资于PSoC™ 4和PSoC™ 6。以解决方案为导向的PSoC™ 6经过优化，在可编程模拟和数字单元、市场领先的MIPS/mW性能与BLE（低功耗蓝牙）连接之间取得了完美平衡。

随着嵌入式系统开发人员高度认可其设计灵活性和可编程能力，PSoC™家族将得以不断发展壮大。