PSoC Express 和石頭、剪刀、布

翁小平    資深主任應(yīng)用工程師       賽普拉斯半導(dǎo)體

關(guān)鍵詞：PSoC， PSoC Express，狀態(tài)機，無代碼應(yīng)用開發(fā)
摘要： 本文通過用可視化無代碼PSoC開發(fā)工具PSoC Express 對一個簡單游戲石頭、剪刀、布的開發(fā)來介紹如何使用PSoC Express的優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)和狀態(tài)機傳遞函數(shù)。
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是可視化無代碼的PSoC開發(fā)工具，而石頭、剪刀、布是我們孩童時代玩的游戲，二者風馬牛不相及。然而我們的一位令人尊敬的美國同事卻用PSoC Express輕松地開發(fā)了石頭、剪刀、布的游戲，用三個輕觸按鍵加一顆低端的PSoC芯片和一個LCD顯示屏就可以實現(xiàn)人機石頭、剪刀、布的游戲，重溫童年的樂趣。
　　PSoC(可編程片上系統(tǒng))是Cypress半導(dǎo)體生產(chǎn)的包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)。其應(yīng)用領(lǐng)域與8位的MCU相同。區(qū)別于8位的MCU, PSoC的數(shù)字周邊資源（如定時器、PWM、UART等等）和模擬周邊資源（放大器、比較器、濾波器等等）以數(shù)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(shù)字模塊和模擬模塊的數(shù)量的不同。用戶可以根據(jù)自己的需要來定義這些模塊。所有這些預(yù)定義的模塊被稱之為用戶模塊。PSoC Designer也為用戶提供這些用戶模塊的API函數(shù)供用戶編程時調(diào)用。在PSoC Express出現(xiàn)以前，開發(fā)PSoC的應(yīng)用項目與MCU的應(yīng)用開發(fā)相似，使用PSoC Designer集成開發(fā)環(huán)境根據(jù)項目的需要調(diào)用和配置資源（用戶模塊），編寫代碼（C或匯編），編譯，調(diào)試….
　　現(xiàn)在由于PSoC Express可以在更高的抽象概念水平上運行，且無需匯編或C的軟件開發(fā)，因此設(shè)計人員只需要數(shù)小時或數(shù)天時間即可完成對PSoC器件的新設(shè)計開發(fā)、仿真及編程，而不再耗時數(shù)周乃至數(shù)月。由于其采用無縫多重處理器架構(gòu)、具有設(shè)計可視化功能，包含豐富的驅(qū)動程序庫和多種傳輸函數(shù)的評估器以及軟仿真功能，因此系統(tǒng)開發(fā)工程師采用PSoC Express工具能夠更快地完成設(shè)計工作，并實現(xiàn)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單，設(shè)計的主要工作在于邏輯的判斷和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，所以用PSoC Express來開發(fā)這一類的項目是非?？旖莺秃线m的。

一．PSoC Express的開發(fā)過程
　　使用PSoC Express的開發(fā)過程主要有四個步驟。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(tǒng)文件及十六進制文件編程。
1.　選擇輸入和輸出
　　運行PSoC Express,選擇 Design選項夾,根據(jù)設(shè)計的需要選擇相應(yīng)的輸入、輸出和接口驅(qū)動器。如果有的話，根據(jù)要求設(shè)定驅(qū)動器的參數(shù)。
2.　定義輸出的行為
　　根據(jù)不同的輸入變化，來定義系統(tǒng)的輸出行為。系統(tǒng)的輸入輸出的關(guān)系相對比較簡單的直接使用輸出驅(qū)動器的傳輸函數(shù)來定義輸入和輸出的相應(yīng)關(guān)系。通過鼠標右鍵點擊輸出驅(qū)動器選擇傳輸函數(shù), 輸出驅(qū)動器提供三種傳輸函數(shù)：優(yōu)先編碼器、狀態(tài)編碼器和表格對應(yīng)器。通過使用這三種傳輸函數(shù)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(fù)雜的則需要使用評估器（Valuator），評估器包含6個傳輸函數(shù)，它們除了輸出驅(qū)動器里提到的三種以外，還有環(huán)狀延時(LoopDelay)、狀態(tài)機和閾值(SetPointRegin)三種傳輸函數(shù)。選擇更合適的傳輸函數(shù)來產(chǎn)生中間結(jié)果作為輸出驅(qū)動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。它主要通過交互式的方式，移動或單擊輸入器件旁的圖形或小窗口來改變輸入的值或狀態(tài)，輸出驅(qū)動器和評估器的狀態(tài)或數(shù)值顯示圖形塊中的參數(shù)值隨即發(fā)生相應(yīng)的變化，通過觀察這個變化，用戶可以評估和驗證他的設(shè)計是否實現(xiàn)他所要的結(jié)果。
4.　生成系統(tǒng)文件及使用編程器下載十六進制編程文件到PSoC芯片。至此，可以在實驗板上驗證設(shè)計功能是否達到了設(shè)計的要求。

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二．優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)和狀態(tài)機傳遞函數(shù)
1.  優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)
　　優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)是最常用的傳遞函數(shù)。它是基于表達式的實施一系列IF（…）Then（…）Else IF（…） Then（…）…的操作進而得到一個可以用作輸出的值。括號里的表達式類似C語言里的表達式。C里面的大多數(shù)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。表達式里的變量來自輸入驅(qū)動器的輸出或其他評估器（Valuator）的輸出，優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)的輸出可以作為其他評估器（Valuator）的輸入和輸出驅(qū)動器的輸入，如果這個優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)是屬于輸出驅(qū)動器的，那么它的輸出也就是該輸出驅(qū)動器的輸出。對于實施一系列
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，下面的語句將不再執(zhí)行。由此可知，只有一個IF（…）Then（…）語句真正被執(zhí)行。越是前面的語句優(yōu)先級越高，第一個IF（…）Then（…）優(yōu)先級最高。
 
2．狀態(tài)機傳遞函數(shù)
　　通常一個系統(tǒng)中會有多個狀態(tài)，當滿足一定的條件或被某個事件觸發(fā)時會從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個狀態(tài)。在PSoC Express中，狀態(tài)機傳遞函數(shù)正是實施這一功能。僅有評估器才包含狀態(tài)機傳遞函數(shù)。而輸出驅(qū)動器是不包含狀態(tài)機傳遞函數(shù)的。
　　為了實施這一功能，用鼠標右鍵點擊評估器圖標，選擇狀態(tài)機傳遞函數(shù)。首先要為所有可能的狀態(tài)定義狀態(tài)名，然后點擊任意一個狀態(tài)可以設(shè)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)條件用表達式來表示。表達式里的變量是輸入驅(qū)動器的輸出或其他評估器（Valuator）的輸出，也可以是輸出驅(qū)動器的輸出。每設(shè)置一個觸發(fā)條件，就有一根帶尖頭的藍線將兩個轉(zhuǎn)換之前和之后的狀態(tài)連接起來。所有的觸發(fā)條件都設(shè)置好了以后，我們在屏幕上可以看到所熟悉的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。狀態(tài)機傳遞函數(shù)的輸出就是某一個用狀態(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、布游戲包括三個輸入驅(qū)動器、四個輸出驅(qū)動器和四個評估器。三個輸入驅(qū)動器就是三個輕觸按扭，分別代表石頭、剪刀、布用于用戶作竟猜選擇。四個輸出驅(qū)動器都是LCD，它們分別是一個16X2字符點陣LCD的四個部分，用于顯示每次竟猜的輸贏和狀態(tài)以及玩家的分數(shù)。四個評估器中的兩個用于產(chǎn)生隨機數(shù)1或2或3，分別代表石頭、布、剪刀參與和用戶的竟猜。一個評估器用于測試三個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(jié)果狀態(tài)返回到竟猜前的等待狀態(tài)。另一個評估器實施各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以便在不同的時刻給出一個正確的狀態(tài)。如圖所示。下面給予更詳細的介紹。
 
　　輸入驅(qū)動器 Rock（石頭）、Paper（布）和Scissor（剪刀）三個輕觸按扭分別有四個可能的輸出狀態(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(shù)產(chǎn)生隨機數(shù)1或2或3。Roll的傳遞函數(shù)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(shù)僅有一條語句：
　　If(1)  then Pick = (Roll%3)+1
AllOff也使用優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)測試三個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(shù)實施9個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖。Start為初始狀態(tài)用綠顏色表示。如果任意一個按扭被按，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)進入等待狀態(tài) WaitForYouToPlay，等待用戶竟猜。一旦再有按鍵被按，就進入三個選擇狀態(tài)之一。如Rock鍵被按，便觸發(fā)條件RockPressed：
　　Rock==Rock__Rising_Edge
　　進入 YouSelectedRock狀態(tài)。接下來馬上實施三個判斷：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值之一，所以必然有一個條件滿足，如果Pick是等于2（Paper），便觸發(fā)rp進入IWin狀態(tài)；如果Pick是等于1（Rock）便觸發(fā)rr進入Draw狀態(tài)，表示平局；如果Pick是等于3(Scissors)便觸發(fā)rs進入YouWin狀態(tài)，表示用戶贏。無論是Iwin或Draw或YouWin狀態(tài)，都無條件地進入到Converge狀態(tài)，因為這三個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到Converge的觸發(fā)條件rrr、ddd、sss都是1。實際上Converge狀態(tài)用于在按鍵還沒有被釋放時保持LCD顯示竟猜結(jié)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字符點陣LCD模塊S01602,針對它的不同顯示方式PSoC Express有多個LCD的輸出驅(qū)動器。這里用這個LCD的四個四分之一（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(shù)字的方式來顯示不同的內(nèi)容。它們都是用優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)來實現(xiàn)狀態(tài)和結(jié)果顯示。第一個LCD驅(qū)動器LCDMyPick在第一排左邊顯示PSoC竟猜選擇的項目（Rock或Paper或Scissor），在開始狀態(tài)顯示Any Key,在等待狀態(tài)顯示Please。它的傳遞函數(shù)：
　　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(qū)動器的參數(shù)中設(shè)定。第二個LCD驅(qū)動器LCDResult在第一排右邊顯示PSoC竟猜結(jié)果。它的傳遞函數(shù)：
　　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(qū)動器的參數(shù)中設(shè)定。第三和第四個LCD驅(qū)動器MyScore、YourScore使用LCD的第二排左邊和第二排右邊顯示我贏的分數(shù)和你贏的分數(shù)。如YourScore的傳遞函數(shù)：
　　if(m_state==m_state__Start)  then YourScore = 0
else if(m_state==m_state__YouWin)  then YourScore = YourScore+1

五．結(jié)束語
　　在 PSoC Expess的開發(fā)環(huán)境下用三個輸入驅(qū)動器、四個輸出驅(qū)動器和四個評估器實現(xiàn)石頭、剪刀、布的游戲，其中四個輸出驅(qū)動器和四個評估器中的三個使用了優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)，而僅一個評估器使用了狀態(tài)機傳遞函數(shù)。狀態(tài)機傳遞函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件也是類似優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)的if(…)then(…)語句。由此可以看到，使用無代碼的圖形化的PSoC芯片的集成開發(fā)環(huán)境PSoC Expess開發(fā)項目簡單而易行，快捷而有趣。

參考文獻：可編程系統(tǒng)在片(PSoC)芯片的設(shè)計構(gòu)架  翁小平 《世界電子元器件》2006.1
 　PSoC Express 開創(chuàng)嵌入式芯片編程新時代 翁小平 EDN China 2007.5

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