不論您先前對內嵌式處理器抱持何種印象，這些裝置已在市場上發展20餘年。在這段期間，業界也歷經多次重大的革新而形成現今的局面，其中一項創新就是低成本微控制器的問市，為非揮發性、使用者可自行編輯及可編程儲存等特色的重要元件。

在產業萌芽初期，大多數內嵌式處理器為唯讀記憶體(Read Only Memory，ROM)，現在則以單次編程(One Time Programmable，OTP)微控制器最為常見，許多廠商更推出快閃型微控制器產品，這些創新也締造出許多具有強大功能的研發工具。

可編程單晶片系統 (PSoC)

雖然微控制器中的可編輯記憶體的應用彈性不斷提升，但週邊元件的功能卻沒辦法做到相對提昇。業界不斷地嘗試解決這類問題，例如開發出可程式化單晶片系統微控制器 (Programmable System on Chip microcontroller，PSoC microcontroller)，使類似的彈性調整功能建置到週邊元件的微控制器中，它擁有可輕易變更設定的類比與數位區塊，讓研發人員能用來開發範圍廣泛的週邊元件。

PSoC 架構

PSoC與其它微控制器的差異在於內部架構。在固定功能的週邊元件中，微控制器內建各種稱為PSoC區塊的類比與數位區塊，讓使用者能設計各種週邊元件功能。常見的範例是使用一組類比PSoC區塊配合兩組數位PSoC區塊建立一套類比數位轉換器 (analog to digital converter，ADC)。在首套問市的系列元件中，使用者可透過12組類比與8組數位PSoC區塊建置出相當多種的元件組態。

每一組數位PSoC區塊都有8位元的資源，使用者可將單一數位PSoC區塊設定成為一組8位元時序器(timer)。若要有更多的位元頻寬，可另外加入其它區塊，使得兩組區塊組合成一套16位元的時序器，或由3組區塊組合成24位元的時序器，位元頻寬僅受整體資源的數量所限。

應用優勢

PSoC區塊的架構不僅在微控制器業界中相當少見，且在裝置中負責連結與傳輸各種訊號，賦予設計師充份的設計彈性。傳統的固定功能型微控制器再進行訂製週邊元件間的相互串連上，應用彈性較低，無法讓使用者自行隨意串連。在PSoC MCU中，研發人員擁有許多包括類比與數位可編程路由資源，可自行串連各種使用者模組。使用者能在元件中設計整套訊號鏈，包括從感測器至晶片的放大訊號，以及之後回送至過濾器進行去除雜訊的作業，最後再送至ADC轉換成數位訊號，顯示PSoC MCU的高度整合資源，可大幅減少系統中的元件數量。

PSoC MCU架構更具備其他的優勢，可在使用者的應用系統運作時，重新設定類比與數位PSoC區塊。因此，兩組數位PSoC區塊能在系統運作時建立一組UART，並能在下個階段重新調整成兩組8位元的時序器，或是在另一階段設定成一組16位元CRC元件。這種功能稱為「動態規劃功能」 (dynamic re-configuration)，讓使用者能重複使用類比與數位區塊資源，讓使用者能充份發揮可用資源的效益。

數位PSoC

數位PSoC區塊可設定成時序器、計數器、脈衝頻寬調變器 (Pulse Width Modulators，PWM)、冗餘循環檢查器 (Cyclical Redundancy Checker，CRC)、通用型非同步收發器 (Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)、序列週邊介面 (Serial Peripheral Interface，SPI)主控或從屬端通訊元件。

類比PSoC

類比PSoC區塊以可程式化運算放大器 (programmable Operational Amplifier)為基礎。目前有三種不同類型的類比PSoC區塊，並在Op-Amp放大器的回應線路中採用不同的環型線路元件配置。其中一種採用持續時序 (continuous time)設計，在回應線路中配置一組可程式化電阻陣列。(圖一)為持續時序區塊，內含Op-Amp以及類比型多工元件，負責支援區塊內的訊號傳輸。而這種類比型PSoC區塊擁有較高的輸入阻抗，適合用來建置可編程增益或縮減放大器、儀具放大器(instrumentation amplifier)、過濾器(filter)與類比型比較電路(comparators)。

《圖一 持續時序區塊圖》

另外兩種類比PSoC區塊在回授線路上配置有交換型電容器陣列 (switched capacitor array)，在回授線路拓撲上有些微的差異，兩種交換型電容PSoC區塊所構成的系統功能也有差別，其中一種區塊可組成一套bi-quad過濾器。這些PSoC區塊可支援連續近似型ADC (Successive Approximation ADC)、差和ADC(Delta-Sigma ADC)，以及電阻數位類比轉換器。(圖二)為交換型電容PSoC區塊。

《圖二　交換型電容PSoC區塊圖》

研發程序

透過數位與類比PSoC區塊可輕易地創造出更具有效益的功能，更對於完成設計有相當重要的影響。Cypress MicroSystems開發出一套「使用者模組」 (User Modules)，透過已經驗證、測試過的PSoC區塊配置，協助使用者研發各種週邊元件。典型的數位使用者模組為一套16位元PWM，類比使用者模組則為12位元遞增型ADC (Incremental ADC)。

內嵌式MCU系統通常在運作時會歷經一連串的狀態。如飲料自動販賣機在每天不同時段會執行以下作業: (1)等待顧客投入錢幣，(2)將收取金額加總並與產品售價比較，(3)監視販賣機的溫度，(4)送出產品，(5)送出零錢，(6)將販售資料傳回經銷商。

每種狀態都需要一組特定的週邊元件。如溫度測量僅須每隔一段時間利用外部類比電路與內建的ADC固定執行即可，系統中的馬達元件可能需要一組PWM提供趨動功能，資料報告可能僅須每日或每週執行一次，並透過如數據機等通訊管道傳輸資訊。

在使用傳統固定型週邊MCU時，研發工程師必須指定一組建有所有功能的元件，即使每組裝置僅能在特定的狀態下發揮功能，然而在其他狀態下，這則會形成資源浪費。上述情況導致研發工程師必須為了特定的應用系統選擇功能更強大但價格較高的元件。

目前市場上的固定型週邊元件微控制器的問世，也改變了工程師研發產品的方式，迫使研發工程師必須先選擇週邊設定組件。而PSoC MCU則讓他們在進行研發的過程中，得以針對特定的應用系統開發必要的週邊元件。事實上，這樣的研發模式也較適合內嵌式系統研發流程的互動特性。

結論

微控制器產業的創新向來集中在提高研發工程師的生產力上，如今PSoC架構已改變研發程序，讓業者不需要在數千種元件中找出最合乎自身需求的組合，相反的，業者現在可透過PSoC同時進行研發系統架構，並設計出最理想的週邊元件。這項創新模式不僅能大幅縮短研發時間，讓微控制器產品研發工程師提高生產效率，更能透過減少外部元件的使用數量，降低整體系統研發成本，並進而將內嵌式處理器的功能提升至更高水準的境界。(作者任職於柏士半導體)