Введение в архитектуру и проектирование систем на кристалле

Д.Ю. Гудзенко, В.Я. Хартов 

Введение в архитектуру  
и проектирование систем  
на кристалле

Учебное пособие 

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 004.031.6(075.8) 
ББК 32.97 
 Г93 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.press/catalog/255/book1819.html 

Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Компьютерные системы и сети» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

 
 
 
 
Гудзенко, Д. Ю. 
Введение в архитектуру и проектирование систем на кристалле : учебное 
пособие / Д. Ю. Гудзенко, В. Я. Хартов. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2018. — 100, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4878-4 
Приведены базовые теоретические сведения об архитектуре программируемых систем на кристалле, инструментах интегрированной среды проектирования. Представлен 
ряд учебных проектов для платформ PSoC (Cypress), иллюстрирующих технологию 
синтеза аппаратной конфигурации системы и разработки программного обеспечения.   
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению подготовки 
09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» (уровень бакалавриата) и 09.04.01 
«Информатика и вычислительная техника» (уровень магистратуры). 
 
УДК 004.031.6(075.8) 
ББК 32.97 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4878-4 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 

Г93 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Высокие технологические достижения производства интегральных схем  
в немалой степени способствовали появлению нового вида электронных изделий — систем на кристалле, обладающих всеми свойствами, ранее присущими микропроцессорным системам разнообразного назначения. Это стало 
возможным благодаря высокой степени интеграции электронных компонентов и реализации многих типовых функциональных модулей дискретного  
и аналогового типов средствами интегральных технологий. Наряду с этим 
программирование межмодульных связей внутри кристалла позволило проектировать на выбранном базисе требуемые приложения, обладающие необходимыми функциональными свойствами. 
Параллельно развитие и совершенствование получили программно-языковые средства проектирования новых разрабатываемых систем, опирающиеся на библиотечные функции реализованных на кристалле функциональных 
модулей. Применение готовых API-функций существенно упрощает процесс 
проектирования, сводя его зачастую к интеграции компонентов в ту или 
иную аппаратно-программную конфигурацию. 
Пособие посвящено изучению и освоению подобных систем. При этом 
наибольшее внимание уделено программируемым системам на кристалле 
PSoC, отличительным свойством которых являются высокая производительность и универсальность, обусловленная наличием матрицы конфигурируемых цифровых и аналоговых блоков, настраиваемых по желанию пользователя. Помимо этого достаточно комфортный пользовательский интерфейс 
системы проектирования PSoC Creator для названного типа кристаллов значительно сокращает время проектирования. Все это способствует внедрению 
подобных систем в технических областях и, безусловно, привлекает внимание разработчиков электронной аппаратуры. 
Целью учебного пособия является освоение общих принципов и положений наукоемкой технологии создания в едином процессе как аппаратной 
конфигурации, так и программного обеспечения проектируемой на кристалле 
системы; получение базовых знаний о принципах работы и библиотечных 
функциях конфигурируемых системных, цифровых и аналоговых модулей и 
возможностях их параметрической настройки для конкретных применений; 
приобретение опыта выполнения проектных решений для выбранной в качестве учебной перепрограммируемой платформы, используя при этом инструменты интегрированной среды проектирования. 
Учебное пособие содержит материалы по тематике дисциплины «Микропроцессорные системы» для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная 
техника» (уровень бакалавриата) и 09.04.01 «Информатика и вычислительная 
техника» (уровень магистратуры). Материалы пособия могут быть использо

ваны для самостоятельной проработки соответствующего раздела дисциплины (модуля «Высокопроизводительные микроконтроллеры и системы на кристалле»), в курсовом и дипломном проектировании. 
В результате изучения материалов пособия студенты получат базовые 
знания об архитектуре систем на кристалле и их функциональных возможностях, овладеют технологией проектирования систем на кристалле и высокоуровневыми средствами программирования, приобретут практические навыки по применению аппарата проектирования при разработке новых изделий. 
Изучению материалов пособия должно предшествовать освоение следующих дисциплин и модулей: 
 информатика; 
 электроника; 
 прикладная теория цифровых автоматов;  
 схемотехника; 
 основы программирования; 
 машинно-зависимые языки и основы компиляции; 
 микропроцессорные системы (модули «Архитектура 8-разрядных микропроцессоров и микроконтроллеров», «Организация микропроцессорных и 
микроконтроллерных систем»). 
Пособие построено, исходя из следующей методики обучения. После 
лекционного обзора теоретического материала, последующего самостоятельного изучения предметной части и обсуждения изученных вопросов на семинарах студент переходит к практическому освоению описанной среды проектирования системы на кристалле. Для этого предусмотрено выполнение во 
время семинаров (или лабораторных занятий) приводимых во второй части 
пособия примеров проектных решений на предоставляемой учебной платформе (физическом устройстве, содержащем перепрограммируемую систему 
на кристалле) с соответствующим программным обеспечением. 
Некоторые разделы пособия сопровождаются упражнениями, выполнение 
которых обсуждается на семинарах и консультациях, может учитываться при 
текущем контроле успеваемости и создает предпосылки для успешного выполнения курсовой работы.  
Ссылки на первоисточники позволяют осуществить поиск дополнительной информации от фирмы-производителя систем на кристалле путем обращения на сайт через сеть Интернет. 
Материалы пособия актуальны и могут быть полезны широкому кругу 
специалистов, связанных с разработкой новых изделий электронной техники 
для систем управления. 
Основные сокращения и обозначения, а также таблицы и схемы, приведенные в пособии, соответствуют технической документации PSoC 3 и PSoC 5, 
представленной в разделе «Литература». 

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

ADC/АЦП  
— Analog-to-Digital Converter / аналого-цифровой преобразователь 
API  
— Application Programming Interface, интерфейс программного приложения 
ARM  
— Advanced RISC Machines, процессорное ядро 
CPU/ЦПУ  
— Central Processing Unit / центральное процессорное устройство  
CRC  
— Cyclic Redundancy Check, код циклического контроля 
CSI  
— Configurable System Interconnect Bus, конфигурируемая системная шина 
CSL  
— Configurable System Logic Matrix, конфигурируемая логическая 
матрица 
СSоC  
— Configurable System on a Chip, конфигурируемая система на кристалле 
DAC/ЦАП  
— Digital-to-Analog Converter / цифроаналоговый преобразователь 
DMA 
— Direct Memory Access, прямой доступ к памяти 
FPSLIC  
— Field Programmable System Level Integration Circuits, программируемые пользователем микросхемы системного уровня интеграции 
LUT  
— Lookup Table, табличный преобразователь 
MIU  
— Memory Interface Unit, блок сопряжения с внешней памятью 
MSP  
— Main SP, указатель основного стека 
NVIC  
— Nested Vectored Interruрt Controller, контроллер векторных вложенных прерываний 
Opamp/ОУ  
— Operational Amplifier / операционный усилитель 
PICU  
— Port Interrupt Control Unit, устройство управления порта прерываний 
PIO  
— Input/Output Ports, порты ввода / вывода 
PLD  
— Programmable Logic Deviсe, программируемое логическое устройство  
PLL  
— Phase-Locked Loop, фазовая автоподстройка частоты 
PSoC  
— Programmable System on a Chip, программируемая система на 
кристалле  
PSP  
— Process SP, указатель стека процесса 
PWM/ШИМ 
— Pulse-Width Modulator / широтно-импульсный модулятор  
RAM/ОЗУ  
— Random Access Memory / оперативное запоминающее устройство 
RTC  
— Real Time Clock, часы реального времени  
SC/CT  
— Switched Capacitor / Continuous Time, универсальный конфигурируемый аналоговый блок 
SоF  
— старт фрейма 
SP  
— Stack Pointer, указатель стека 
 
ABUS  
— выходная аналоговая шина 
AG  
— глобальная аналоговая шина 
ALU/АЛУ  
— арифметико-логическое устройство  
AMUXBUS  
— мультиплексируемая аналоговая шина 
CAN  
— интерфейс 
CapSense  
— сенсорные элементы 
Clock  
— блок синхронизации   
CMP  
— компаратор 
DataPath  
— 8-разрядное операционное устройство в составе UDB 

DFB  
— блок цифровых фильтров 
DMIPS/МГц  — производительность, выражаемая в миллионах инструкций  
на мегагерц 
DPTR  
— регистр-указатель данных 
DSI  
— цифровой системный интерфейс 
ECC  
— код коррекции ошибок 
EEPROM  
— электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 
EMIF  
— интерфейс внешней памяти  
EоF  
— конец фрейма 
FIFO  
— память типа «очередь» 
FPGA  
— логическая матрица 
GPIO  
— линия (порт) ввода/вывода общего назначения 
I2C  
— последовательный двухпроводный интерфейс 
IO  
— ввод/вывод 
ISR  
— процедура обслуживания прерывания 
ISSP  
— внутрисистемное последовательное программирование 
JTAG  
— последовательный отладочный интерфейс 
к  
— кило, 1000 
К  
— кило, 2^10 
LCD  
— жидкокристаллический дисплей  
MCU  
— микроконтроллер 
MIPS  
— производительность, миллион инструкций в секунду 
Мsps  
— производительность, миллион преобразований в секунду 
NMI  
— немаскируемое прерывание 
PHUB  
— периферийный хаб 
PRS  
— генератор случайных чисел 
SAR  
— аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения 
SFR  
— регистры специального назначения 
SRAM  
— статическая память с произвольным доступом  
SIO  
— линия ввода/вывода специального назначения 
SPI 
— последовательный периферийный интерфейс 
SWD  
— последовательный отладочный интерфейс 
TD  
— дескриптор транзакции 
TIA  
— трансимпедансный усилитель 
UART  
— универсальный асинхронный приемопередатчик  
UDB  
— универсальный цифровой блок 
USB  
— универсальная последовательная шина 
USBIO  
— линии ввода/вывода шины USB 
WDT  
— сторожевой таймер  
XDATA  
— внешняя память данных  
 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Значительную часть разрабатываемых систем управления составляют изделия, которые включают в себя три базовых блока: микропроцессорное 
(микроконтроллерное) ядро, массив программируемой логики и блок памяти. 
Новым этапом развития технологии интегральных систем стало объединение 
этих блоков на одном кристалле для создания разнообразных микропроцессорных систем с богатым набором периферийных узлов. 
Интеграция всех основных системных узлов в одной микросхеме позволяет повысить производительность, снизить энергопотребление, уменьшить 
габариты и цену конечного изделия. Все эти преимущества особенно важны 
при использовании таких устройств в системах телекоммуникаций, мультимедийных и сетевых приложениях, устройствах автоматики и бытовой электроники, носимой и портативной аппаратуре. Изделия нового поколения получили название «конфигурируемая система на кристалле» (Сonfigurable 
System on a Сhip — CSoC). Существуют и другие названия изделий этого 
класса — PSoC, или SoPC (System on а Рrogrammable Сhip). 
Устройства класса CSoC объединяют на одном кристалле различные узлы, характерные для процессорной системы: микропроцессор, блок памяти и 
набор периферийных устройств. Последние могут быть как фиксированными 
(встроенными), так и конфигурируемыми разработчиком. Блоки соединяются 
между собой внутри кристалла с помощью оптимизированного интерфейса. 
Таким образом, конфигурируемые системы на кристалле позволяют создавать на одном кристалле разнообразные интегральные устройства, объединяющие процессор, программируемую логику, память и прочие вспомогательные ресурсы.  
Стандартные устройства CSoC можно представить двумя группами: общего назначения и специализированные. Многие компании (например, Atmel, 
Triscend, Cypress, Quick Logic, Altera и др.) выпускают CSoC общего назначения, объединяющие на одном кристалле блок программируемой логики совместно с фиксированным микропроцессорным ядром и памятью. Изделия 
класса CSoC, поддерживаемые мощным программным пакетом для проектирования, позволяют разработчикам в короткие сроки создавать специализированные процессорные платформы для разнообразных встраиваемых приложений.  
В классе PSoC-систем можно выделить однородные и блочные системы. 
В однородных системах одни и те же области кристалла при программировании могут быть использованы для реализации разных функций. При этом 
разработчик сам размещает на кристалле нужные ему блоки, которые называются soft-ядрами. При проектировании таких систем можно применить готовые IP-ядра как единицы интеллектуальной собственности (Intellectual 
Properties). Возможность использования на кристалле многочисленных нара

ботанных IP-ядер из уже имеющихся библиотек существенно ускоряет процесс проектирования новых систем. Однородные PSoC обладают большой 
гибкостью и универсальностью применения, хотя приобретение IP-ядер требует дополнительных затрат. 
В блочных PSoC используют аппаратные ядра (hard-ядра), которыми являются области кристалла, выделенные под строго определенные функции. 
Реализация hard-ядер снижает универсальность, но уменьшает площадь кристалла и значительно повышает производительность системы в целом, а возможность обновления аппаратной части и программного кода придает ей дополнительную гибкость. 
Разработкой систем на кристалле занимается ряд компаний. Из систем, 
базирующихся на 8-разрядном ядре, рассмотрим микросхемы семейства E5 
корпорации Triscend (США) с ядром 8032 Turbo, FPSLIC Atmel с ядром AVR 
и PSoC Cypress Microsystems с ядром 8051. Последние по сравнению с другими изделиями помимо цифровых программируемых блоков содержат также 
реконфигурируемые аналоговые узлы. 
 
 

1. СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ С 8-РАЗРЯДНЫМ ЯДРОМ 

1.1. Микроконтроллеры Triscend Е5 с ядром 8032 Turbo  

Семейство скоростных конфигурируемых микроконтроллеров Triscend Е5, 
выпускаемых корпорацией Triscend (США), содержит ядро 8032 Turbo, обеспечивающее производительность до 10 MIPS на тактовой частоте 40 МГц. 
Кроме ядра на кристалле имеется матрица конфигурируемой системной логики с объемом от 6500 до 40 000 эквивалентных логических вентилей, массив статической памяти, типовой набор периферийных узлов и скоростная 
шина для внутреннего обмена данными. 
Все основные функциональные узлы системы на кристалле соединяются 
друг с другом с помощью конфигурируемой системной шины. Шинная архитектура предполагает подключение к шине ведущих (master) и ведомых 
(slave) устройств. Ведущими устройствами могут быть микроконтроллерное 
ядро, контроллер прямого доступа к памяти DMA и отладочный интерфейс 
JTAG. Для того чтобы периферийное устройство, размещенное в матрице 
программируемой логики, могло стать ведущим на шине, оно должно работать в тандеме с контроллером DMA, который в этом случае является промежуточным «мастером» (master). 
Семейство Е5 может полностью автономно функционировать при использовании единственного внешнего устройства энергонезависимой памяти для 
хранения конфигурации и исполняемого кода. 
Система на кристалле семейства Е5 (рис. 1.1) содержит следующие узлы: 
 высокопроизводительный микроконтроллер 8032 Turbo MCU, совместимый по архитектуре с устройствами MCS-51; 
 внутреннюю системную память; 
 конфигурируемую логическую матрицу CSL; 
 высокопроизводительную конфигурируемую системную шину CSI; 
 программируемые порты ввода/вывода PIO; 
 блок сопряжения с внешней памятью MIU; 
 контроллер прямого доступа к памяти DMA; 
 блок JTAG-интерфейса; 
 специализированный блок внутрисхемной отладки; 
 блок управления энергопотреблением; 
 систему тактирования. 
Высокопроизводительный микроконтроллер 8032 Turbo MCU. В отличие от традиционного ядра 8032, у которого длительность машинного цикла 
составляет 12 периодов тактового генератора, длительность машинного цикла 
микроконтроллерного ядра Е5 составляет всего четыре такта. Это обеспечивает 
производительность до 10 MIPS при тактовой частоте 40 МГц. Микроконтроллер 8032 Turbo предоставляет и другие преимущества по сравнению со стан

дартным ядром 8051. Это второй регистр-указатель данных, программируемый 
сторожевой таймер и возможность программного управления циклами ожидания при работе с медленными устройствами. Кроме того, число источников 
прерываний увеличено до 12 и прерывания имеют три уровня приоритета. 

 

 

Рис. 1.1. Блок-схема системы на кристалле Triscend E5 

Конфигурируемая логическая матрица CSL. Различные устройства се
мейства Е5 содержат от 256 до 3200 логических ячеек (около 40 000 эквивалентных логических вентилей) на кристалле. Логическая ячейка с высоким 
быстродействием и гибкой архитектурой позволяет эффективно реализовывать логические и арифметические функции и устройства памяти. Программируемые соединения между системной шиной, логическими ячейками и 
блоками ввода/вывода позволяют создавать двунаправленные шины, свободные от конфликтов. Реконфигурируемая архитектура и простой в использовании синхронный интерфейс с системной шиной CSI дают возможность создавать разнообразные периферийные устройства. 

Высокопроизводительная конфигурируемая системная шина CSI. Эта 

шина включает в себя две независимые 8-разрядные шины данных (одна для 
чтения, другая для записи) и 32-разрядную шину адреса и обеспечивает связь