不论您先前对内嵌式处理器抱持何种印象，这些装置已在市场上发展20余年。在这段期间，业界也历经多次重大的革新而形成现今的局面，其中一项创新就是低成本微控制器的问市，为非挥发性、用户可自行编辑及可编程储存等特色的重要组件。

在产业萌芽初期，大多数内嵌式处理器为只读存储器(Read Only Memory，ROM)，现在则以单次编程(One Time Programmable，OTP)微控制器最为常见，许多厂商更推出快闪型微控制器产品，这些创新也缔造出许多具有强大功能的研发工具。

可编程单芯片系统 (PSoC)

虽然微控制器中的可编辑内存的应用弹性不断提升，但外围组件的功能却没办法做到相对提升。业界不断地尝试解决这类问题，例如开发出可程序化单芯片系统微控制器 (Programmable System on Chip microcontroller，PSoC microcontroller)，使类似的弹性调整功能建置到外围组件的微控制器中，它拥有可轻易变更设定的模拟与数字区块，让研发人员能用来开发范围广泛的外围组件。

PSoC 架构

PSoC与其它微控制器的差异在于内部架构。在固定功能的外围组件中，微控制器内建各种称为PSoC区块的模拟与数字区块，让用户能设计各种外围组件功能。常见的范例是使用一组模拟PSoC区块配合两组数字PSoC区块建立一套模拟数字转换器 (analog to digital converter，ADC)。在首套问市的系列组件中，用户可透过12组模拟与8组数字PSoC区块建置出相当多种的组件组态。

每一组数字PSoC区块都有8位的资源，用户可将单一数字PSoC区块设定成为一组8位时序器(timer)。若要有更多的位带宽，可另外加入其它区块，使得两组区块组合成一套16位的时序器，或由3组区块组合成24位的时序器，位带宽仅受整体资源的数量所限。

应用优势

PSoC区块的架构不仅在微控制器业界中相当少见，且在装置中负责链接与传输各种讯号，赋予设计师充份的设计弹性。传统的固定功能型微控制器再进行订制外围组件间的相互串连上，应用弹性较低，无法让用户自行随意串连。在PSoC MCU中，研发人员拥有许多包括模拟与数字可编程路由资源，可自行串连各种用户模块。用户能在组件中设计整套讯号链，包括从传感器至芯片的放大讯号，以及之后回送至过滤器进行去除噪声的作业，最后再送至ADC转换成数字讯号，显示PSoC MCU的高度整合资源，可大幅减少系统中的组件数量。

PSoC MCU架构更具备其他的优势，可在用户的应用系统运作时，重新设定模拟与数字PSoC区块。因此，两组数字PSoC区块能在系统运作时建立一组UART，并能在下个阶段重新调整成两组8位的时序器，或是在另一阶段设定成一组16位CRC组件。这种功能称为「动态规划功能」 (dynamic re-configuration)，让用户能重复使用模拟与数字区块资源，让用户能充份发挥可用资源的效益。

数字PSoC

数字PSoC区块可设定成时序器、计数器、脉冲带宽调变器 (Pulse Width Modulators，PWM)、冗余循环检查器 (Cyclical Redundancy Checker，CRC)、通用型异步收发器 (Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)、序列外围接口 (Serial Peripheral Interface，SPI)主控或从属端通讯组件。

模拟PSoC

模拟PSoC区块以可程序化运算放大器 (programmable Operational Amplifier)为基础。目前有三种不同类型的模拟PSoC区块，并在Op-Amp放大器的响应线路中采用不同的环型线路组件配置。其中一种采用持续时序 (continuous time)设计，在响应线路中配置一组可程序化电阻数组。(图一)为持续时序区块，内含Op-Amp以及模拟型多任务组件，负责支持区块内的讯号传输。而这种模拟型PSoC区块拥有较高的输入阻抗，适合用来建置可编程增益或缩减放大器、仪具放大器(instrumentation amplifier)、过滤器(filter)与模拟型比较电路(comparators)。

《图一 持续时序区块图》

另外两种模拟PSoC区块在回授线路上配置有交换型电容器数组 (switched capacitor array)，在回授线路拓扑上有些微的差异，两种交换型电容PSoC区块所构成的系统功能也有差别，其中一种区块可组成一套bi-quad过滤器。这些PSoC区块可支持连续近似型ADC (Successive Approximation ADC)、差和ADC(Delta-Sigma ADC)，以及电阻数字模拟转换器。(图二)为交换型电容PSoC区块。

《图二 交换型电容PSoC区块图》

研发程序

透过数字与模拟PSoC区块可轻易地创造出更具有效益的功能，更对于完成设计有相当重要的影响。Cypress MicroSystems开发出一套「用户模块」 (User Modules)，透过已经验证、测试过的PSoC区块配置，协助用户研发各种外围组件。典型的数字用户模块为一套16位PWM，模拟用户模块则为12位递增型ADC (Incremental ADC)。

内嵌式MCU系统通常在运作时会历经一连串的状态。如饮料自动贩卖机在每天不同时段会执行以下作业: (1)等待顾客投入钱币，(2)将收取金额加总并与产品售价比较，(3)监视贩卖机的温度，(4)送出产品，(5)送出零钱，(6)将贩卖数据传回经销商。

每种状态都需要一组特定的外围组件。如温度测量仅须每隔一段时间利用外部模拟电路与内建的ADC固定执行即可，系统中的马达组件可能需要一组PWM提供趋动功能，数据报告可能仅须每日或每周执行一次，并透过如调制解调器等通讯管道传输信息。

在使用传统固定型外围MCU时，研发工程师必须指定一组建有所有功能的组件，即使每组装置仅能在特定的状态下发挥功能，然而在其他状态下，这则会形成资源浪费。上述情况导致研发工程师必须为了特定的应用系统选择功能更强大但价格较高的组件。

目前市场上的固定型外围组件微控制器的问世，也改变了工程师研发产品的方式，迫使研发工程师必须先选择外围设定组件。而PSoC MCU则让他们在进行研发的过程中，得以针对特定的应用系统开发必要的外围组件。事实上，这样的研发模式也较适合内嵌式系统研发流程的互动特性。

结论

微控制器产业的创新向来集中在提高研发工程师的生产力上，如今PSoC架构已改变研发程序，让业者不需要在数千种组件中找出最合乎自身需求的组合，相反的，业者现在可透过PSoC同时进行研发系统架构，并设计出最理想的外围组件。这项创新模式不仅能大幅缩短研发时间，让微控制器产品研发工程师提高生产效率，更能透过减少外部组件的使用数量，降低整体系统研发成本，并进而将内嵌式处理器的功能提升至更高水平的境界。(作者任职于柏士半导体)