使用Smart I/O模塊實現管腳電平數字邏輯功能和降低CPU負載

芯片設計工程師常常需要根據輸入輸出信號（Input and Output, I/O）實現管腳電平數字邏輯。例如，系統工程師利用微控制器進行時鐘增殖時常常需要創建時鐘樹，將輸入時鐘輸入至多個緩沖時鐘（具有適當的驅動能力），和/或倒轉時鐘極性。還有許多場景下，系統工程師必須對I/O信號進行邏輯組合。 他們通常的方案是利用離散組合邏輯模塊等外置元件實施最后時刻的改變，使用“藍線（blue wire）”將元件連接起來。這不僅提高了物料成本，而且還會影響生產PCB時耗時的自轉步驟。

圖1.MCU + 離散邏輯芯片

隨著電池供電設備的快速增長，功耗已成為系統工程師關心的重要問題。每節省一點電能都將延長電池一次充電的使用時間。因此，系統工程師嘗試在硬件上完成一些簡單的I/O信號處理任務來降低CPU負載——CPU是系統的主要耗電部件。例如，將兩個脈寬調制（PWM）信號輸入到異或門，，輸出信號即可實現呼吸燈。兩個PWM信號擁有微小的頻率差，頻率差產生的拍頻就是呼吸燈期望的呼吸頻率。在這個方案中，如果固件中實現了運行邏輯，CPU將無需定時啟動。

圖2.8個呼吸燈的硬件實現

今天的微控制器已經可以在I/O口上提供可編程邏輯功能以集成板級膠合邏輯I/O功能，如與門、或門和異或門。圖3顯示了Smart I/O模塊的集成方式。Smart I/O模塊放在微控制器（MCU）的外設（如TCPWM、UART和 SPI）和I/O口之間的信號路徑上。I/O口的輸入信號可以先進行邏輯操作，然后路由到MCU的外設和芯片的連接單元。同樣地，外設的輸出信號和芯片的內部連接信號可以先進行邏輯操作，然后路由到GPIO端口。Smart I/O模塊甚至可以在低功率模式下運行，并在必要時使用端口中斷喚醒芯片。

圖 3.MCU中Smart I/O的示例

Smart I/O模塊元件

每個Smart I/O模塊與端口綁定，可以對該端口輸入輸出信號進行操作。以賽普拉斯的PSoC 4為例，Smart I/O模塊由具有互聯矩陣的8個三輸入查找表（Look-Up Table, LUT）組成，如圖4所示。

圖4.Smart I/O查找表

Smart I/O可利用互聯矩陣靈活地進行互聯。用戶無需編寫任何代碼即可配置Smart I/O模塊。MCU設計工具鏈（具體到本文情況是PSoC Creator）利用圖形用戶界面（GUI）簡化了Smart I/O模塊的配置。

查找表的輸入輸出信號可以在GUI的下拉列表中選擇來輕松配置。Smart I/O查找表的真值表可以通過限定輸出值為所有可能的輸入組合進行配置，如圖5所示：

圖5. 在PSoC Creator中配置Smart I/O查找表

Smart I/O模塊的應用

有許多應用都可以利用Smart I/O減少物料成本、降低CPU負載和設備功耗。下面介紹其中兩個應用：

利用Smart I/O實現邏輯功能-Smart I/O查找表可用作通用邏輯元件來構建定制邏輯功能，比如邏輯門、4線-2線優先編碼器、移位寄存器和脈沖干擾濾波器。

圖6 是通過將2個具有微小頻率差的PWM信號連接至異或門，實現一個呼吸燈。圖7是利用PSoC 4 MCU中的Smart I/O達到的呼吸燈效果。這里，通過配置查找表真值表在Smart I/O執行異或操作，如圖8所示：

圖6. 使用邏輯門實現呼吸燈

圖7. 利用PSOC 4 Smart I/O實現呼吸燈效果

圖8. 使用Smart I/O實現異或門

模式檢測 – Smart I/O可配置為檢測輸入信號具體模式（比如，檢測是否3路輸入信號都為低電平）的功能。電池供電嵌入系統將微控制器調成低功耗模式，當指定事件觸發時，產生中斷喚醒CPU來處理事件。

在一些應用中，必須根據多個事件的具體組合來喚醒設備和處理事件。今天市場上的MCU要求CPU處于工作狀態以檢測模式和處理事件。這導致CPU在每次發生事件時都被喚醒以檢查事件的組合，從而增加功耗。

Smart I/O可工作在低功耗狀態中，根據多個事件的具體組合喚醒設備。在圖9的應用中，根據多個事件的具體組合，MCU從深睡眠中被喚醒。在這種情況下，只有當兩個輸入都處于高電平時（即處于黑暗且窗口打開），設備醒來，并將傳感器狀態發送至接收器或是啟動警報通知用戶關閉窗口。

圖9. 使用PSoC 4Smart I/O檢測具體模式

該系統的實現方案如圖10所示。兩個I/O管腳的輸入信號在Smart I/O模塊進行與操作，然后發送給CPU喚醒中斷控制器，將設備從深睡眠中喚醒。只有當兩個條件均為真才喚醒CPU，從而減少設備功耗，延遲電池壽命。

圖10. 檢測具體的輸入模式 – PSoC Creator的實現方案

圖11. 使用Smart I/O執行與門