PSoC Express 和石頭、剪刀、布

翁小平    資深主任應用工程師       賽普拉斯半導體

關(guān)鍵詞：PSoC， PSoC Express，狀態(tài)機，無(wú)代碼應用開(kāi)發(fā)
摘要： 本文通過(guò)用可視化無(wú)代碼PSoC開(kāi)發(fā)工具PSoC Express 對一個(gè)簡(jiǎn)單游戲石頭、剪刀、布的開(kāi)發(fā)來(lái)介紹如何使用PSoC Express的優(yōu)先編碼器傳遞函數和狀態(tài)機傳遞函數。
Key word: PSoC， PSoC Express，Status machine，Codeless  Application Development
Abstract: The paper introduced how do use prior encode transfer function and status machine function of PSoC Express with a simple game， Rock ,Paper, Scissors，that was developed by visualize,code-free development tool PSoC Express.

　　PSoC Express是可視化無(wú)代碼的PSoC開(kāi)發(fā)工具，而石頭、剪刀、布是我們孩童時(shí)代玩的游戲，二者風(fēng)馬牛不相及。然而我們的一位令人尊敬的美國同事卻用PSoC Express輕松地開(kāi)發(fā)了石頭、剪刀、布的游戲，用三個(gè)輕觸按鍵加一顆低端的PSoC芯片和一個(gè)LCD顯示屏就可以實(shí)現人機石頭、剪刀、布的游戲，重溫童年的樂(lè )趣。
　　PSoC(可編程片上系統)是Cypress半導體生產(chǎn)的包含有8位微處理器核和數字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統。其應用領(lǐng)域與8位的MCU相同。區別于8位的MCU, PSoC的數字周邊資源（如定時(shí)器、PWM、UART等等）和模擬周邊資源（放大器、比較器、濾波器等等）以數字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號的PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數字模塊和模擬模塊的數量的不同。用戶(hù)可以根據自己的需要來(lái)定義這些模塊。所有這些預定義的模塊被稱(chēng)之為用戶(hù)模塊。PSoC Designer也為用戶(hù)提供這些用戶(hù)模塊的API函數供用戶(hù)編程時(shí)調用。在PSoC Express出現以前，開(kāi)發(fā)PSoC的應用項目與MCU的應用開(kāi)發(fā)相似，使用PSoC Designer集成開(kāi)發(fā)環(huán)境根據項目的需要調用和配置資源（用戶(hù)模塊），編寫(xiě)代碼（C或匯編），編譯，調試….
　　現在由于PSoC Express可以在更高的抽象概念水平上運行，且無(wú)需匯編或C的軟件開(kāi)發(fā)，因此設計人員只需要數小時(shí)或數天時(shí)間即可完成對PSoC器件的新設計開(kāi)發(fā)、仿真及編程，而不再耗時(shí)數周乃至數月。由于其采用無(wú)縫多重處理器架構、具有設計可視化功能，包含豐富的驅動(dòng)程序庫和多種傳輸函數的評估器以及軟仿真功能，因此系統開(kāi)發(fā)工程師采用PSoC Express工具能夠更快地完成設計工作，并實(shí)現更高的可靠性。對于石頭、剪刀、布的游戲，由于它的輸入輸出非常簡(jiǎn)單，設計的主要工作在于邏輯的判斷和狀態(tài)的轉換，所以用PSoC Express來(lái)開(kāi)發(fā)這一類(lèi)的項目是非?？旖莺秃线m的。

一．PSoC Express的開(kāi)發(fā)過(guò)程
　　使用PSoC Express的開(kāi)發(fā)過(guò)程主要有四個(gè)步驟。它們是：選擇輸入和輸出，定義輸出的行為，仿真、驗證和生成系統文件及十六進(jìn)制文件編程。
1.　選擇輸入和輸出
　　運行PSoC Express,選擇 Design選項夾,根據設計的需要選擇相應的輸入、輸出和接口驅動(dòng)器。如果有的話(huà)，根據要求設定驅動(dòng)器的參數。
2.　定義輸出的行為
　　根據不同的輸入變化，來(lái)定義系統的輸出行為。系統的輸入輸出的關(guān)系相對比較簡(jiǎn)單的直接使用輸出驅動(dòng)器的傳輸函數來(lái)定義輸入和輸出的相應關(guān)系。通過(guò)鼠標右鍵點(diǎn)擊輸出驅動(dòng)器選擇傳輸函數, 輸出驅動(dòng)器提供三種傳輸函數：優(yōu)先編碼器、狀態(tài)編碼器和表格對應器。通過(guò)使用這三種傳輸函數建立起輸入和輸出的關(guān)系。輸入輸出的關(guān)系相對比較復雜的則需要使用評估器（Valuator），評估器包含6個(gè)傳輸函數，它們除了輸出驅動(dòng)器里提到的三種以外，還有環(huán)狀延時(shí)(LoopDelay)、狀態(tài)機和閾值(SetPointRegin)三種傳輸函數。選擇更合適的傳輸函數來(lái)產(chǎn)生中間結果作為輸出驅動(dòng)器的輸入或其他評估器的輸入。
3.　仿真和驗證
　　仿真為軟仿真。它主要通過(guò)交互式的方式，移動(dòng)或單擊輸入器件旁的圖形或小窗口來(lái)改變輸入的值或狀態(tài)，輸出驅動(dòng)器和評估器的狀態(tài)或數值顯示圖形塊中的參數值隨即發(fā)生相應的變化，通過(guò)觀(guān)察這個(gè)變化，用戶(hù)可以評估和驗證他的設計是否實(shí)現他所要的結果。
4.　生成系統文件及使用編程器下載十六進(jìn)制編程文件到PSoC芯片。至此，可以在實(shí)驗板上驗證設計功能是否達到了設計的要求。

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二．優(yōu)先編碼器傳遞函數和狀態(tài)機傳遞函數
1.  優(yōu)先編碼器傳遞函數
　　優(yōu)先編碼器傳遞函數是最常用的傳遞函數。它是基于表達式的實(shí)施一系列IF（…）Then（…）Else IF（…） Then（…）…的操作進(jìn)而得到一個(gè)可以用作輸出的值。括號里的表達式類(lèi)似C語(yǔ)言里的表達式。C里面的大多數算術(shù)運算符（+, -, *, /, %）和邏輯運算符(&, ||, ==, !=, <=, >=, !, <, >，^）  及位操作運算符（>>, <<, &, |, ~）在這里都是有效的。表達式里的變量來(lái)自輸入驅動(dòng)器的輸出或其他評估器（Valuator）的輸出，優(yōu)先編碼器傳遞函數的輸出可以作為其他評估器（Valuator）的輸入和輸出驅動(dòng)器的輸入，如果這個(gè)優(yōu)先編碼器傳遞函數是屬于輸出驅動(dòng)器的，那么它的輸出也就是該輸出驅動(dòng)器的輸出。對于實(shí)施一系列
IF（…）Then（…）
Else IF（…） Then（…）
…
的操作，從上到下，只要一遇到IF（…）里面的表達式為真，下面的語(yǔ)句將不再執行。由此可知，只有一個(gè)IF（…）Then（…）語(yǔ)句真正被執行。越是前面的語(yǔ)句優(yōu)先級越高，第一個(gè)IF（…）Then（…）優(yōu)先級最高。
 
2．狀態(tài)機傳遞函數
　　通常一個(gè)系統中會(huì )有多個(gè)狀態(tài)，當滿(mǎn)足一定的條件或被某個(gè)事件觸發(fā)時(shí)會(huì )從一個(gè)狀態(tài)轉變到另一個(gè)狀態(tài)。在PSoC Express中，狀態(tài)機傳遞函數正是實(shí)施這一功能。僅有評估器才包含狀態(tài)機傳遞函數。而輸出驅動(dòng)器是不包含狀態(tài)機傳遞函數的。
　　為了實(shí)施這一功能，用鼠標右鍵點(diǎn)擊評估器圖標，選擇狀態(tài)機傳遞函數。首先要為所有可能的狀態(tài)定義狀態(tài)名，然后點(diǎn)擊任意一個(gè)狀態(tài)可以設置觸發(fā)條件并選擇該觸發(fā)條件之前和之后的狀態(tài)。這里也需要給每一個(gè)觸發(fā)條件命名不同的名字。一般地，觸發(fā)條件用表達式來(lái)表示。表達式里的變量是輸入驅動(dòng)器的輸出或其他評估器（Valuator）的輸出，也可以是輸出驅動(dòng)器的輸出。每設置一個(gè)觸發(fā)條件，就有一根帶尖頭的藍線(xiàn)將兩個(gè)轉換之前和之后的狀態(tài)連接起來(lái)。所有的觸發(fā)條件都設置好了以后，我們在屏幕上可以看到所熟悉的狀態(tài)轉換圖。狀態(tài)機傳遞函數的輸出就是某一個(gè)用狀態(tài)名表示的狀態(tài)。在所有的狀態(tài)中必須定義一個(gè)狀態(tài)為初始狀態(tài),它以綠色表示。
　
三．石頭、剪刀、布
　　石頭、剪刀、布游戲包括三個(gè)輸入驅動(dòng)器、四個(gè)輸出驅動(dòng)器和四個(gè)評估器。三個(gè)輸入驅動(dòng)器就是三個(gè)輕觸按扭，分別代表石頭、剪刀、布用于用戶(hù)作竟猜選擇。四個(gè)輸出驅動(dòng)器都是LCD，它們分別是一個(gè)16X2字符點(diǎn)陣LCD的四個(gè)部分，用于顯示每次竟猜的輸贏(yíng)和狀態(tài)以及玩家的分數。四個(gè)評估器中的兩個(gè)用于產(chǎn)生隨機數1或2或3，分別代表石頭、布、剪刀參與和用戶(hù)的竟猜。一個(gè)評估器用于測試三個(gè)輕觸按扭是否處于空閑等待狀態(tài)，以便LCD的顯示從顯示竟猜的結果狀態(tài)返回到竟猜前的等待狀態(tài)。另一個(gè)評估器實(shí)施各種狀態(tài)的轉換，以便在不同的時(shí)刻給出一個(gè)正確的狀態(tài)。如圖所示。下面給予更詳細的介紹。
 
　　輸入驅動(dòng)器 Rock（石頭）、Paper（布）和Scissor（剪刀）三個(gè)輕觸按扭分別有四個(gè)可能的輸出狀態(tài)：上升沿、下降沿和ON、OFF，提供給評估器AllOff和m使用。Roll評估器和Pick評估器使用優(yōu)先編碼器傳遞函數產(chǎn)生隨機數1或2或3。Roll的傳遞函數如下：
　　if(m_state==m_state__WaitForYouToPlay)&&(Roll==0)  then Roll = 1
else if(m_state==m_state__WaitForYouToPlay)&&(Roll<128)  then Roll = Roll*2
else if(m_state==m_state__WaitForYouToPlay)  then Roll = ((Roll-128)*2^0x71

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Pick的傳遞函數僅有一條語(yǔ)句：
　　If(1)  then Pick = (Roll%3)+1
AllOff也使用優(yōu)先編碼器傳遞函數測試三個(gè)輕觸按鈕是否處于空閑等待狀態(tài)：
　　if(Rock==Rock__On)  then AllOff = 0
else if(Paper==Paper__On)  then AllOff = 0
else if(Scissors==Scissors__On)  then AllOff = 0
else if(1)  then AllOff = 1
　
　　m評估器用狀態(tài)機傳遞函數實(shí)施9個(gè)狀態(tài)的轉換如圖。Start為初始狀態(tài)用綠顏色表示。如果任意一個(gè)按扭被按，觸發(fā)條件Go：
(Rock==Rock__Rising_Edge)||(Paper==Paper__Rising_Edge)||(Scissors==Scissors__Rising_Edge)
就被觸發(fā)，狀態(tài)便從初始狀態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài) WaitForYouToPlay，等待用戶(hù)竟猜。一旦再有按鍵被按，就進(jìn)入三個(gè)選擇狀態(tài)之一。如Rock鍵被按，便觸發(fā)條件RockPressed：
　　Rock==Rock__Rising_Edge
　　進(jìn)入 YouSelectedRock狀態(tài)。接下來(lái)馬上實(shí)施三個(gè)判斷：Pick是等于1（Rock）還是2（Paper）或3(Scissors)？由于Pick評估器的輸出必然是這三個(gè)值之一，所以必然有一個(gè)條件滿(mǎn)足，如果Pick是等于2（Paper），便觸發(fā)rp進(jìn)入IWin狀態(tài)；如果Pick是等于1（Rock）便觸發(fā)rr進(jìn)入Draw狀態(tài)，表示平局；如果Pick是等于3(Scissors)便觸發(fā)rs進(jìn)入YouWin狀態(tài)，表示用戶(hù)贏(yíng)。無(wú)論是Iwin或Draw或YouWin狀態(tài)，都無(wú)條件地進(jìn)入到Converge狀態(tài)，因為這三個(gè)狀態(tài)轉換到Converge的觸發(fā)條件rrr、ddd、sss都是1。實(shí)際上Converge狀態(tài)用于在按鍵還沒(méi)有被釋放時(shí)保持LCD顯示竟猜結果的狀態(tài)。當按鍵被釋放以后，Converge狀態(tài)便返回到等待狀態(tài) WaitForYouToPlay，因為它的觸發(fā)條件是：
　　AllOff == 1
　　對于普遍使用的16X2字符點(diǎn)陣LCD模塊S01602,針對它的不同顯示方式PSoC Express有多個(gè)LCD的輸出驅動(dòng)器。這里用這個(gè)LCD的四個(gè)四分之一（第一排左邊，第一排右邊，第二排左邊，第二排右邊）以字符和數字的方式來(lái)顯示不同的內容。它們都是用優(yōu)先編碼器傳遞函數來(lái)實(shí)現狀態(tài)和結果顯示。第一個(gè)LCD驅動(dòng)器LCDMyPick在第一排左邊顯示PSoC竟猜選擇的項目（Rock或Paper或Scissor），在開(kāi)始狀態(tài)顯示Any Key,在等待狀態(tài)顯示Please。它的傳遞函數：
　　if(m_state==m_state__Start)  then LCDMyPick=LCDMyPick__Label_4
else if(m_state==m_state__WaitForYouToPlay)  then LCDMyPick=LCDMyPick__Label_5
else if(m_state==m_state__YouSelectedRock)  then LCDMyPick = Pick
else if(m_state==m_state__YouSelectedPaper)  then LCDMyPick =Pick
else if(m_state==m_state__YouSelectedScissor)  then LCDMyPick = Pick
Label_4是Any Key, Label_5 是Please在驅動(dòng)器的參數中設定。第二個(gè)LCD驅動(dòng)器LCDResult在第一排右邊顯示PSoC竟猜結果。它的傳遞函數：
　　if(m_state==m_state__Start)  then LCDResult = LDCResults__Label_1
else if(m_state==m_state__WaitForYouToPlay)  then LCDResult = LDCResults__Label_5
else if(m_state==m_state__Iwin)  then LCDResult = LDCResults__Label_3
else if(m_state==m_state__YouWin)  then LCDResult = LDCResults__Label_2
else if(m_state==m_state__Draw)  then LCDResult = LDCResults__Label_4
Label_1、 Label_2、 Label_3、 Label_4 和Label_5分別是To Play、You Win、My Win、Draw 和Chose在驅動(dòng)器的參數中設定。第三和第四個(gè)LCD驅動(dòng)器MyScore、YourScore使用LCD的第二排左邊和第二排右邊顯示我贏(yíng)的分數和你贏(yíng)的分數。如YourScore的傳遞函數：
　　if(m_state==m_state__Start)  then YourScore = 0
else if(m_state==m_state__YouWin)  then YourScore = YourScore+1

五．結束語(yǔ)
　　在 PSoC Expess的開(kāi)發(fā)環(huán)境下用三個(gè)輸入驅動(dòng)器、四個(gè)輸出驅動(dòng)器和四個(gè)評估器實(shí)現石頭、剪刀、布的游戲，其中四個(gè)輸出驅動(dòng)器和四個(gè)評估器中的三個(gè)使用了優(yōu)先編碼器傳遞函數，而僅一個(gè)評估器使用了狀態(tài)機傳遞函數。狀態(tài)機傳遞函數的狀態(tài)轉換的觸發(fā)條件也是類(lèi)似優(yōu)先編碼器傳遞函數的if(…)then(…)語(yǔ)句。由此可以看到，使用無(wú)代碼的圖形化的PSoC芯片的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Expess開(kāi)發(fā)項目簡(jiǎn)單而易行，快捷而有趣。

參考文獻：可編程系統在片(PSoC)芯片的設計構架  翁小平 《世界電子元器件》2006.1
 　PSoC Express 開(kāi)創(chuàng )嵌入式芯片編程新時(shí)代 翁小平 EDN China 2007.5

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