嵌入式平臺(tái)PXA255及ARM開發(fā)平臺(tái)

第二章PXA255及ARM開發(fā)平臺(tái)主講教師沈陽(yáng)

韶關(guān)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院

2023年9月提綱Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性

Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)

Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

Xscale超級(jí)流水線

PXA255擁有7級(jí)超級(jí)流水線，主要由主流水線、MAC流水線和內(nèi)存訪問(wèn)流水線組成。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

Xscale超級(jí)流水線主流水線F1/F2指令讀取ID指令譯碼RF存放器文件/移位級(jí)X1執(zhí)行級(jí)X2執(zhí)行級(jí)XWB寫回級(jí)Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

Xscale超級(jí)流水線MAC流水線執(zhí)行所有的乘/累加指令。它執(zhí)行40位累加存放器acc0和能把指令值轉(zhuǎn)化成普通的ARM存放器值。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(huì)同時(shí)兩條指令出現(xiàn)在MAC流水線上。當(dāng)MAC在處理一條指令的時(shí)候其他的指令不允許進(jìn)出到M1中，除非原來(lái)的指令在下一個(gè)周期中處理完成。MAC單元執(zhí)行開始于M1，接受2個(gè)32位操作數(shù)，N個(gè)周期后完成并返回存放器文件。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

Xscale超級(jí)流水線內(nèi)存訪問(wèn)流水線內(nèi)存流水線有D1、D2和DWB3級(jí)構(gòu)成，獨(dú)立完成指令的裝載和存儲(chǔ)。在執(zhí)行完X1后開始執(zhí)行D1級(jí)，計(jì)算有效的存/取地址；在D2級(jí)數(shù)據(jù)cache和小型數(shù)據(jù)cache返回目的數(shù)據(jù)；DWB級(jí)進(jìn)行填入緩沖器和寫入緩沖器操作。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

Xscale乘/累加MACXscale為了多媒體的應(yīng)用，支持SIMD.比方MIAPH指令，它執(zhí)行2個(gè)16x16位乘法，然后與40位累加器相加，即2個(gè)32位存放器可以看作為2對(duì)16位存放器，先高16位相乘并與累加器進(jìn)行相加；低16位也相乘后與累加器相加，這2個(gè)結(jié)果相加后再送到存放器文件中。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

內(nèi)存管理提供內(nèi)存訪問(wèn)保護(hù)和虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換支持指令TLB支持?jǐn)?shù)據(jù)TLB

(TranslationLook-asideBuffer，TLB，轉(zhuǎn)換搜索緩存)Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

指令Cache容量為32K32路組相聯(lián)每路由8個(gè)字(32字節(jié))和一位有效位(思考：有幾組?)循環(huán)替換算法Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

指令CacheXscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

數(shù)據(jù)Cache容量32KB32路組相聯(lián)每路包含32字節(jié)和1個(gè)有效位,還包含2個(gè)dirty位，分別對(duì)應(yīng)低16位字節(jié)和高16位字節(jié)采用循環(huán)替換法Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器BTB

BTB由有128入口的直接映像cache構(gòu)成每個(gè)入口由TAG分支地址、DATA數(shù)據(jù)目標(biāo)地址和2位歷史位組成。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

性能監(jiān)視提供2個(gè)32位的性能計(jì)數(shù)器，可以分別對(duì)2個(gè)獨(dú)立的事件同時(shí)監(jiān)視。另外還有1個(gè)32位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器用來(lái)聯(lián)合性能計(jì)數(shù)器記錄內(nèi)核時(shí)鐘數(shù)。當(dāng)計(jì)算突發(fā)事件時(shí)計(jì)數(shù)器將監(jiān)測(cè)到一個(gè)特定事件的發(fā)生；當(dāng)測(cè)量持續(xù)事件時(shí)計(jì)數(shù)器將記錄處理器時(shí)鐘周期數(shù)當(dāng)指定條件為真時(shí)事件發(fā)生。所有的這些計(jì)數(shù)器都有對(duì)應(yīng)的IRQ和FIQ資源。Xscale的性能監(jiān)視模塊可以通過(guò)協(xié)處理器CP14的存放器0-3進(jìn)行控制。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

電源管理Xscale核合并電源管理和時(shí)鐘管理來(lái)控制時(shí)鐘和管理電源，它控制每一個(gè)運(yùn)行模式的時(shí)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。Xscale系統(tǒng)結(jié)構(gòu)----

調(diào)試通訊控制模塊通過(guò)JTAG指令來(lái)建立目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)的握手硬件斷點(diǎn)模塊有指令和數(shù)據(jù)斷點(diǎn)存放器，由協(xié)處理器控制跟蹤緩沖模塊對(duì)程序歷史記錄以實(shí)現(xiàn)恢復(fù)異常和跳轉(zhuǎn)代碼下載模塊代碼下載到I-Cache,調(diào)試代理程序?qū)崿F(xiàn)讀/寫PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性

PXA255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(diǎn)：內(nèi)核工作頻率：200MHz、300MHz和400MHz系統(tǒng)存儲(chǔ)器接口時(shí)鐘和電源控制器DMA控制器LCD控制器系統(tǒng)集成模塊串行通信口多媒體通信口PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性時(shí)鐘模塊：控制系統(tǒng)每一個(gè)模塊的時(shí)鐘頻率優(yōu)化計(jì)算處理和電源管理的功能。有三個(gè)存放器：核時(shí)鐘設(shè)置存放器CCCRL：晶振頻率至存儲(chǔ)器頻率倍因子，可以設(shè)置成27、32、36、40或45。M：存儲(chǔ)器頻率至運(yùn)行方式頻率倍因子，可以設(shè)置成1或2。N：運(yùn)行方式頻率至快速方式頻率因子，可以設(shè)置成1.0、1.5、2.0或3.0。時(shí)鐘允許存放器CKEN振蕩器設(shè)置存放器OSCCPXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性電源管理模塊運(yùn)行模式快速模式〔CCCR的N〕空閑模式空閑模式?jīng)]有改變時(shí)鐘的產(chǎn)生。應(yīng)用程序選擇PWRMODE存放器的M段來(lái)選擇空閑方式。睡眠模式許多處理器內(nèi)部單元功能關(guān)閉，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理模塊繼續(xù)工作。通過(guò)使用PWRMODE存放器來(lái)進(jìn)入睡眠模式。33MHz空閑模式在33MHz空閑模式下其他所有的外設(shè)單元都不能使用包括SDRAM、LCD和DMA控制器。PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性GPIO口PXA255可以使用和控制的GPIO管腳有81個(gè)。使用27個(gè)存放器可以配置這些GPIO管腳的方向(進(jìn)或出)、管腳功能、管腳的狀態(tài)(輸出)、管腳的上下電平檢測(cè)(輸入)和選擇第二功能。許多GPIO管腳的第二功能已經(jīng)被處理器或外設(shè)配置使用。PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性中斷控制器PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以配置成頻率很廣的周期時(shí)鐘信號(hào)，通常RTC設(shè)置1Hz信號(hào)輸出用來(lái)當(dāng)作系統(tǒng)時(shí)間的基準(zhǔn)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是RTC4513PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性DMA控制器(DMAC)DMAC有16個(gè)通道，從通道0到通道15在嵌入式Linux中DMA在設(shè)備驅(qū)動(dòng)上常常要用到。DMA控制器對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)和CPU的運(yùn)行完全互斥，因此在DMA控制器訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)CPU不訪問(wèn)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(dòng)，只要一個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成一個(gè)字節(jié)的傳輸。在DMA控制器暫時(shí)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(wèn)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(wèn)內(nèi)存也可以在數(shù)據(jù)cache中讀取。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)

Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源項(xiàng)目描述處理器Intel

XScalePXA255400MHzSDRAMSamsung64MbyteFlashIntel

strataflash32MByte以太網(wǎng)CS8900A10BaseT聲卡AC’97Stereoaudio顯示LGTFTLCD6.4”(640*480)觸摸屏ADS7843touchscreenUSBHost2SlotUSBSlave1SlotPCMCIA1Slot實(shí)時(shí)時(shí)鐘RealtimeclockRTC4513紅外HDSL3600CF1SlotMMC1SlotXsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源存儲(chǔ)器接口主要可以分成3類：SDRAMSDRAM有4塊區(qū)域靜態(tài)FLASH靜態(tài)存儲(chǔ)器有6塊卡存儲(chǔ)器卡存儲(chǔ)器有2塊。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源LCD接口PXA255處理器內(nèi)置的LCD控制器支持被動(dòng)(DSTN)或主動(dòng)(TFT)模式的顯示器，還支持單色或多種的彩色像點(diǎn)格式，支持單屏或雙屏顯示；被動(dòng)彩色方式有65536種顏色(使用16位TMED抖動(dòng)算法)，主動(dòng)彩色方式有65536種顏色(16位，繞過(guò)調(diào)色板)，顯示可以到達(dá)1024x1024，推薦使用最大值800x600；內(nèi)置2個(gè)專用DMA通道。Xsbase255系統(tǒng)使用的LCD是6.4’TFT的彩色顯示屏，分辨率是640x480。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源以太網(wǎng)接口Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)采用CirrusLogic公司CS8900A以太網(wǎng)芯片，是符合IEEE802.3協(xié)議的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)總線的一款低本錢的以太網(wǎng)芯片。它高度集成了一些常用的部件比方：片內(nèi)的RAM、10BASE-T傳輸和接受過(guò)濾器和ISA總線接口等。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源音頻接口PXA255處理器包含AC’97控制單元，支持音頻控制器(AC-link)，能通過(guò)串口傳輸數(shù)字音頻、調(diào)制調(diào)解器、音頻輸入、控制存放器和狀態(tài)信息等。因?yàn)镻XA255處理器內(nèi)置了AC’97控制器，需要外擴(kuò)一個(gè)音頻解碼芯片。Xsbase255外擴(kuò)了CirrusLogicCS4299用作音頻解碼器。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC當(dāng)關(guān)閉Xsbase255系統(tǒng)電源，RTC4513可以通過(guò)一個(gè)電池來(lái)保持當(dāng)前的時(shí)間。系統(tǒng)外擴(kuò)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RTC4513和一個(gè)紐扣電池組成RTC電路。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源串口Xsbase開發(fā)系統(tǒng)提供1個(gè)全功能的(FF，F(xiàn)ullFunction)串口，1個(gè)藍(lán)牙串口(BT,Bluetooth)和1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙串口是一個(gè)高速UART，最高波特率為921.6Kb/s，可連接藍(lán)牙模塊。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源USB接口Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)有1個(gè)USB-Client接口和2個(gè)USB-Host接口(其中一個(gè)是miniUSB接口)。USB-Client接口作為USB的從設(shè)備，一般與主設(shè)備如宿主機(jī)連接，用于下載數(shù)據(jù)和程序，也可以用作USB網(wǎng)口來(lái)使用。USB-Client控制器UDC集成在PXA255處理器內(nèi)部。USB-Host接口作為USB的主設(shè)備，用于連接USB外設(shè)，例如U盤、鼠標(biāo)、鍵盤和攝像頭等。Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源擴(kuò)展接口1個(gè)PCMCIA接口1個(gè)CF卡接口1個(gè)MMC卡接口120pin的擴(kuò)展接口。Linux〔Linux2.4.18〕Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----硬件資源Xsbase255開發(fā)系統(tǒng)----軟件資源WindowsCE〔4.2NET〕ARM處理器介紹ARM編程模型和異常中斷S3C2440系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及片上資源介紹ARM體系結(jié)構(gòu)S3C2440處理器ARM公司簡(jiǎn)介

ARM于1990年11月在英國(guó)倫敦成立前身為Acorn計(jì)算機(jī)公司：AdvanceRISCMachine(ARM)全球領(lǐng)先的16/32位嵌入式RISC微處理器解決方案供給商ARM公司是知識(shí)產(chǎn)權(quán)〔IP〕公司，本身不生產(chǎn)芯片，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作伙伴公司來(lái)生產(chǎn)各具特色的芯片目前，全世界有幾十家著名的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的授權(quán)，其中包括摩托羅拉、IBM、Intel、SONY、NEC、LG、ATMEL等，從而保證了大量的開發(fā)工具和豐富的第三方資源，它們共同保證了基于ARM處理器核的設(shè)計(jì)可以很快投入市場(chǎng)ARM的業(yè)務(wù)模型

嵌入式處理器

ARM微處理器特點(diǎn)

體積小、低功耗、低本錢、高性能支持Thumb〔16位〕/ARM〔32位〕雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件大量使用存放器，指令執(zhí)行速度更快大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在存放器中完成尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高指令長(zhǎng)度固定ARM微處理器系列

ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列，除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，每一個(gè)系列的ARM微處理器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域：－ARM7系列－ARM9系列－ARM9E系列－ARM10E系列－SecurCore系列－Inter的Xscale－Inter的StrongARM其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個(gè)通用處理器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。SecurCore系列專門為平安要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)ARM7微處理器ARM7采用馮·諾依曼〔Von-Neumann)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器重合在一起同時(shí)，此結(jié)構(gòu)也被大多數(shù)計(jì)算機(jī)所采用ARM7為三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)〔取指，譯碼，執(zhí)行〕，平均功耗為0.6mW/MHz，時(shí)鐘速度為66MHz，每條指令平均執(zhí)行1.9個(gè)時(shí)鐘周期ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJARM9微處理器ARM7采用的Neumann結(jié)構(gòu)，取指令和取操作數(shù)都是通過(guò)一條總線分時(shí)進(jìn)行，這樣，在高速運(yùn)算時(shí)，不但不能同時(shí)取指令和取操作數(shù)，而且還會(huì)造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象ARM9采用哈佛〔Harvard)結(jié)構(gòu)，程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，提供了較大的存儲(chǔ)器帶寬。同時(shí)，大多數(shù)DSP都采用