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(jī)，無(wú)代碼應(yīng)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(duì)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(shù)和狀態(tài)機(jī)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(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(guó)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(xiàn)人機(jī)石頭、剪刀、布的游戲，重溫童年的樂(lè)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(hào)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(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(shù)字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號(hào)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(lái)定義這些模塊。所有這些預(yù)定義的模塊被稱(chēng)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(shí)調(diào)用。在PSoC Express出現(xiàn)以前，開(kāi)發(fā)PSoC的應(yīng)用項(xiàng)目與MCU的應(yīng)用開(kāi)發(fā)相似，使用PSoC Designer集成開(kāi)發(fā)環(huán)境根據(jù)項(xiàng)目的需要調(diào)用和配置資源（用戶模塊），編寫(xiě)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(yùn)行，且無(wú)需匯編或C的軟件開(kāi)發(fā)，因此設(shè)計(jì)人員只需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天時(shí)間即可完成對(duì)PSoC器件的新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、仿真及編程，而不再耗時(shí)數(shù)周乃至數(shù)月。由于其采用無(wú)縫多重處理器架構(gòu)、具有設(shè)計(jì)可視化功能，包含豐富的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)和多種傳輸函數(shù)的評(píng)估器以及軟仿真功能，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師采用PSoC Express工具能夠更快地完成設(shè)計(jì)工作，并實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。對(duì)于石頭、剪刀、布的游戲，由于它的輸入輸出非常簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)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(lái)開(kāi)發(fā)這一類(lèi)的項(xiàng)目是非常快捷和合適的。

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(yàn)證和生成系統(tǒng)文件及十六進(jìn)制文件編程。
1.　選擇輸入和輸出
　　運(yùn)行PSoC Express,選擇 Design選項(xiàng)夾,根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇相應(yīng)的輸入、輸出和接口驅(qū)動(dòng)器。如果有的話，根據(jù)要求設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)。
2.　定義輸出的行為
　　根據(jù)不同的輸入變化，來(lái)定義系統(tǒng)的輸出行為。系統(tǒng)的輸入輸出的關(guān)系相對(duì)比較簡(jiǎn)單的直接使用輸出驅(qū)動(dòng)器的傳輸函數(shù)來(lái)定義輸入和輸出的相應(yīng)關(guān)系。通過(guò)鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊輸出驅(qū)動(dòng)器選擇傳輸函數(shù), 輸出驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)器。通過(guò)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(duì)比較復(fù)雜的則需要使用評(píng)估器（Valuator），評(píng)估器包含6個(gè)傳輸函數(shù)，它們除了輸出驅(qū)動(dòng)器里提到的三種以外，還有環(huán)狀延時(shí)(LoopDelay)、狀態(tài)機(jī)和閾值(SetPointRegin)三種傳輸函數(shù)。選擇更合適的傳輸函數(shù)來(lái)產(chǎn)生中間結(jié)果作為輸出驅(qū)動(dòng)器的輸入或其他評(píng)估器的輸入。
3.　仿真和驗(yàn)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(qū)動(dòng)器和評(píng)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(guò)觀察這個(gè)變化，用戶可以評(píng)估和驗(yàn)證他的設(shè)計(jì)是否實(shí)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(jìn)制編程文件到PSoC芯片。至此，可以在實(shí)驗(yàn)板上驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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二．優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)和狀態(tài)機(jī)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(dá)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(hào)里的表達(dá)式類(lèi)似C語(yǔ)言里的表達(dá)式。C里面的大多數(shù)算術(shù)運(yùn)算符（+, -, *, /, %）和邏輯運(yùn)算符(&, ||, ==, !=, <=, >=, !, <, >，^）  及位操作運(yùn)算符（>>, <<, &, |, ~）在這里都是有效的。表達(dá)式里的變量來(lái)自輸入驅(qū)動(dòng)器的輸出或其他評(píng)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(píng)估器（Valuator）的輸入和輸出驅(qū)動(dòng)器的輸入，如果這個(gè)優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)是屬于輸出驅(qū)動(dòng)器的，那么它的輸出也就是該輸出驅(qū)動(dòng)器的輸出。對(duì)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(dá)式為真，下面的語(yǔ)句將不再執(zhí)行。由此可知，只有一個(gè)IF（…）Then（…）語(yǔ)句真正被執(zhí)行。越是前面的語(yǔ)句優(yōu)先級(jí)越高，第一個(gè)IF（…）Then（…）優(yōu)先級(jí)最高。
 
2．狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)
　　通常一個(gè)系統(tǒng)中會(huì)有多個(gè)狀態(tài)，當(dāng)滿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(zhuǎn)變到另一個(gè)狀態(tài)。在PSoC Express中，狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)正是實(shí)施這一功能。僅有評(píng)估器才包含狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)。而輸出驅(qū)動(dòng)器是不包含狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)的。
　　為了實(shí)施這一功能，用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊評(píng)估器圖標(biāo)，選擇狀態(tài)機(jī)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(diǎn)擊任意一個(gè)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(gè)觸發(fā)條件命名不同的名字。一般地，觸發(fā)條件用表達(dá)式來(lái)表示。表達(dá)式里的變量是輸入驅(qū)動(dòng)器的輸出或其他評(píng)估器（Valuator）的輸出，也可以是輸出驅(qū)動(dòng)器的輸出。每設(shè)置一個(gè)觸發(fā)條件，就有一根帶尖頭的藍(lán)線將兩個(gè)轉(zhuǎn)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(shè)置好了以后，我們?cè)谄聊簧峡梢钥吹剿煜さ臓顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖。狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)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(qū)動(dòng)器、四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)評(píng)估器。三個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器就是三個(gè)輕觸按扭，分別代表石頭、剪刀、布用于用戶作竟猜選擇。四個(gè)輸出驅(qū)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和狀態(tài)以及玩家的分?jǐn)?shù)。四個(gè)評(píng)估器中的兩個(gè)用于產(chǎn)生隨機(jī)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(gè)評(píng)估器用于測(cè)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(jié)果狀態(tài)返回到竟猜前的等待狀態(tài)。另一個(gè)評(píng)估器實(shí)施各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)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(xì)的介紹。
 
　　輸入驅(qū)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(píng)估器AllOff和m使用。Roll評(píng)估器和Pick評(píng)估器使用優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)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(yǔ)句：
　　If(1)  then Pick = (Roll%3)+1
AllOff也使用優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)測(cè)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(píng)估器用狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)實(shí)施9個(gè)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(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(píng)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)，表示用戶贏。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?yàn)檫@三個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jié)果的狀態(tài)。當(dāng)按鍵被釋放以后，Converge狀態(tài)便返回到等待狀態(tài) WaitForYouToPlay，因?yàn)樗挠|發(fā)條件是：
　　AllOff == 1
　　對(duì)于普遍使用的16X2字符點(diǎn)陣LCD模塊S01602,針對(duì)它的不同顯示方式PSoC Express有多個(gè)LCD的輸出驅(qū)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(shù)字的方式來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和結(jié)果顯示。第一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)器LCDMyPick在第一排左邊顯示PSoC竟猜選擇的項(xiàng)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(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(dòng)器的參數(shù)中設(shè)定。第二個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)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(dòng)器的參數(shù)中設(shè)定。第三和第四個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)器MyScore、YourScore使用LCD的第二排左邊和第二排右邊顯示我贏的分?jǐn)?shù)和你贏的分?jǐn)?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(yǔ)
　　在 PSoC Expess的開(kāi)發(fā)環(huán)境下用三個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器、四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)評(píng)估器實(shí)現(xiàn)石頭、剪刀、布的游戲，其中四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和四個(gè)評(píng)估器中的三個(gè)使用了優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)，而僅一個(gè)評(píng)估器使用了狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)。狀態(tài)機(jī)傳遞函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件也是類(lèi)似優(yōu)先編碼器傳遞函數(shù)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(xiàng)目簡(jiǎn)單而易行，快捷而有趣。

參考文獻(xiàn)：可編程系統(tǒng)在片(PSoC)芯片的設(shè)計(jì)構(gòu)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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