嵌入式平臺PXA

1、1PXA255開發(fā)平臺陳文智 浙江大學計算機學院2005年4月2提綱lXscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)lPXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性 lXsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng) 3Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- Xscale超級流水線 lPXA255擁有7級超級流水線，主要由主流水線、MAC流水線和內(nèi)存訪問流水線組成。 5Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- Xscale超級流水線l主流水線 lF1/F2指令讀取 lID指令譯碼 lRF寄存器文件/移位級lX1執(zhí)行級 lX2執(zhí)行級 lXWB寫回級 6Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- Xscale超級流水線lMAC流水

2、線 l執(zhí)行所有的乘/累加指令。它執(zhí)行40位累加寄存器acc0和能把指令值轉(zhuǎn)化成普通的ARM 寄存器值。MAC不是真正的一條流水線，指令的類型和資源決定它所需的周期數(shù)。不會同時兩條指令出現(xiàn)在MAC流水線上。當MAC在處理一條指令的時候其他的指令不允許進出到M1中，除非原來的指令在下一個周期中處理完成。MAC單元執(zhí)行開始于M1，接受2個32位操作數(shù)，N個周期后完成并返回寄存器文件。 7Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- Xscale超級流水線l內(nèi)存訪問流水線 l內(nèi)存流水線有D1、D2和DWB3級構(gòu)成，獨立完成指令的裝載和存儲。在執(zhí)行完X1后開始執(zhí)行D1級，計算有效的存/取地址；在D2級數(shù)據(jù)cache和

3、小型數(shù)據(jù)cache返回目的數(shù)據(jù)；DWB級進行填入緩沖器和寫入緩沖器操作。 8Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- Xscale乘/累加MAC lXscale為了多媒體的應用，支持SIMD. l比如MIAPH指令，它執(zhí)行2個16x16位乘法，然后與40位累加器相加，即2個32位寄存器可以看作為2對16位寄存器，先高16位相乘并與累加器進行相加；低16位也相乘后與累加器相加，這2個結(jié)果相加后再送到寄存器文件中。 9Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 內(nèi)存管理 l提供內(nèi)存訪問保護和虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 l支持指令TLBl支持數(shù)據(jù)TLB (Translation Look-aside Buffer，TLB，

4、轉(zhuǎn)換搜索緩存)10Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 指令Cache l容量為32K l32路組相聯(lián) l每路由8個字(32字節(jié))和一位有效位l (思考：有幾組?)l循環(huán)替換算法 11Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 指令Cache12Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 數(shù)據(jù)Cachel容量32KB l32路組相聯(lián) l每路包含32字節(jié)和1個有效位,還包含2個dirty位 ，分別對應低16位字節(jié)和高16位字節(jié) l采用循環(huán)替換法 13Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 轉(zhuǎn)移目標緩沖器BTB lBTB由有128入口的直接映像cache構(gòu)成 l每個入口由TAG分支地址、DATA數(shù)據(jù)目標地址和2位歷史位組成。 14Xs

5、cale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 性能監(jiān)視 l提供2個32位的性能計數(shù)器，可以分別對2個獨立的事件同時監(jiān)視。 l另外還有1個32位時鐘計數(shù)器用來聯(lián)合性能計數(shù)器記錄內(nèi)核時鐘數(shù)。l當計算突發(fā)事件時計數(shù)器將監(jiān)測到一個特定事件的發(fā)生；l當測量持續(xù)事件時計數(shù)器將記錄處理器時鐘周期數(shù)當指定條件為真時事件發(fā)生。 l所有的這些計數(shù)器都有對應的IRQ和FIQ資源。lXscale的性能監(jiān)視模塊可以通過協(xié)處理器CP14的寄存器0-3進行控制。 15Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 電源管理 lXscale核合并電源管理和時鐘管理來控制時鐘和管理電源，它控制每一個運行模式的時鐘頻率和管理不同電源管理模式下的性能與功耗間的優(yōu)化

6、。 16Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)- 調(diào)試l通訊控制模塊l通過JTAG指令來建立目標機和宿主機的握手l硬件斷點模塊 l有指令和數(shù)據(jù)斷點寄存器，由協(xié)處理器控制 l跟蹤緩沖模塊 l對程序歷史記錄以實現(xiàn)恢復異常和跳轉(zhuǎn) l代碼下載模塊 l代碼下載到I-Cache,調(diào)試代理程序?qū)崿F(xiàn)讀/寫 17PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性 18PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性PXA255除了采用Xscale內(nèi)核，還具有以下特點： l內(nèi)核工作頻率：200MHz、300MHz和400MHz l系統(tǒng)存儲器接口 l時鐘和電源控制器 lDMA控制器 lLCD控制器 l系統(tǒng)集成模塊 l串行通信口 l多媒

7、體通信口 19PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性l時鐘模塊：控制系統(tǒng)每一個模塊的時鐘頻率優(yōu)化計算處理和電源管理的功能。有三個寄存器： l核時鐘設置寄存器CCCRlL：晶振頻率至存儲器頻率倍因子，可以設置成 27、32、36、40或45。 lM：存儲器頻率至運行方式頻率倍因子，可以設置成1或2。 lN：運行方式頻率至快速方式頻率因子，可以設置成 1.0、1.5、2.0或3.0。 l時鐘允許寄存器CKEN l振蕩器設置寄存器OSCC 20PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性l電源管理模塊 l運行模式 l快速模式 （CCCR的N）l空閑模式l空閑模式?jīng)]有改變時鐘的產(chǎn)生。應用程序選擇

8、PWRMODE寄存器的M段來選擇空閑方式。 l睡眠模式 l許多處理器內(nèi)部單元功能關閉，實時時鐘和電源管理模塊繼續(xù)工作 。通過使用PWRMODE寄存器來進入睡眠模式。l33MHz空閑模式l在33MHz空閑模式下其他所有的外設單元都不能使用包括SDRAM、LCD和DMA控制器。 21PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性l GPIO口 lPXA255可以使用和控制的GPIO管腳有81個。l使用27個寄存器可以配置這些GPIO管腳的方向(進或出)、管腳功能、管腳的狀態(tài)(輸出)、管腳的高低電平檢測(輸入)和選擇第二功能。l許多GPIO管腳的第二功能已經(jīng)被處理器或外設配置使用。 22PXA255處

9、理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性l中斷控制器 23PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性l實時時鐘RTC l使用實時時鐘可以配置成頻率很廣的周期時鐘信號，通常RTC設置1Hz信號輸出用來當作系統(tǒng)時間的基準。 l實時時鐘芯片是RTC4513 24PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性處理器結(jié)構(gòu)與特性lDMA控制器 (DMAC )lDMAC有16個通道，從通道0到通道15 l在嵌入式Linux中DMA在設備驅(qū)動上常常要用到。DMA控制器對內(nèi)存的訪問和CPU的運行完全互斥，因此在DMA控制器訪問內(nèi)存時CPU不訪問內(nèi)存。DMA控制器在傳輸數(shù)據(jù)上要比CPU快得多，它的操作完全由硬件驅(qū)動，只要一個時鐘周期就可以

10、完成一個字節(jié)的傳輸。在DMA控制器暫時占住了內(nèi)存，CPU仍能取指令，而許多指令的執(zhí)行是不要求訪問內(nèi)存的，這樣CPU和DMA控制器之間有了一定的并行度，提高的綜合效率。即使CPU要訪問內(nèi)存也可以在數(shù)據(jù)cache中讀取。 25Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng) 26Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源 項項目目描述描述處理器Intel XScale PXA255 400MHzSDRAMSamsung 64MbyteFlashIntel strata flash 32MByte以太網(wǎng)CS8900A 10BaseT聲卡AC97 Stereo audio顯示LG TFT LCD 6.4”( 64

11、0 * 480)觸摸屏ADS7843 touch screenUSB Host2 SlotUSB Slave1 SlotPCMCIA1 Slot實時時鐘Real time clock RTC4513 紅外HDSL3600CF1 SlotMMC1 Slot 27Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源l存儲器接口主要可以分成3類 ：lSDRAMl SDRAM有4塊區(qū)域l靜態(tài)FLASHl靜態(tài)存儲器有6塊l卡存儲器l卡存儲器有2塊。 28Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源lLCD接口 lPXA255處理器內(nèi)置的LCD控制器支持被動(DSTN)或主動(TFT)模式的顯示器，還支持單色或多

12、種的彩色像點格式，支持單屏或雙屏顯示；被動彩色方式有65536種顏色(使用16位TMED抖動算法)，主動彩色方式有65536種顏色(16位，繞過調(diào)色板)，顯示可以達到1024x1024，推薦使用最大值800 x600；內(nèi)置2個專用DMA通道。lXsbase255系統(tǒng)使用的LCD是6.4TFT 的彩色顯示屏，分辨率是640 x480。 29Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源l 以太網(wǎng)接口 lXsbase255開發(fā)系統(tǒng)采用Cirrus Logic公司CS8900A以太網(wǎng)芯片，是符合IEEE802.3協(xié)議的工業(yè)標準架構(gòu)總線的一款低成本的以太網(wǎng)芯片。它高度集成了一些常用的部件比如：片內(nèi)的RA

13、M、10BASE-T傳輸和接受過濾器和ISA總線接口等 。30Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源l音頻接口 lPXA255處理器包含AC97控制單元，支持音頻控制器(AC-link)，能通過串口傳輸數(shù)字音頻、調(diào)制調(diào)解器、音頻輸入、控制寄存器和狀態(tài)信息等。因為PXA255處理器內(nèi)置了AC97控制器，需要外擴一個音頻解碼芯片。lXsbase255外擴了Cirrus Logic CS4299用作音頻解碼器。 31Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源l實時時鐘RTC l當關閉Xsbase255系統(tǒng)電源，RTC4513可以通過一個電池來保持當前的時間。系統(tǒng)外擴了實時時鐘芯片RTC451

14、3和一個紐扣電池組成RTC電路 。32Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源l串口 lXsbase開發(fā)系統(tǒng)提供1個全功能的(FF，F(xiàn)ull Function)串口，1個藍牙串口(BT,Bluetooth)和1個標準UART(紅外接口)。它們使用PXA255中的第二功能GPIO引腳。全功能串口支持Modem控制功能，其最高波特率為230.4Kb/s；藍牙串口是一個高速UART，最高波特率為921.6Kb/s，可連接藍牙模塊 。33Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)-硬件資源lUSB接口 lXsbase255開發(fā)系統(tǒng)有1個USB-Client接口和2個USB-Host接口(其中一個是mini USB接口)。lUSB-Client接口作為USB的從設備，一般與主設備如宿主機連接，用于下載數(shù)據(jù)和程序，也可以用作USB網(wǎng)口來使用。USB-Client控制器UDC