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DSP原理及應(yīng)用

第二章:TMS320DM6437的硬件結(jié)構(gòu)第二章TMS320DM6437的硬件結(jié)構(gòu)

2.1TMS320DM6437的基本結(jié)構(gòu)2.2TMS320DM6437CPU結(jié)構(gòu)2.3片內(nèi)存儲器及數(shù)據(jù)訪問2.4實驗和程序?qū)嵗齌MS320DM6437采用TMS320C64x+DSP內(nèi)核,32位定點處理器,工作頻率可達700MHz,處理速度最高可達5600MIPS。TMS320DM6437具有64個32位通用寄存器和8個獨立計算功能單元,這些功能單元包括2個用于存儲32位結(jié)果的乘法器和6個算術(shù)邏輯單元(ALU)。TMS320DM6437的內(nèi)核采用TI開發(fā)的第三代高性能支持超長指令字(VLIW)的VelociTI.2結(jié)構(gòu)。圖2-1TMS320DM6437DSP硬件結(jié)構(gòu)框圖TMS320DM6437采用2級Cache存儲結(jié)構(gòu),片上有32KBRAM/Cache可配置的1級程序存儲器L1P,48KBRAM+32KBRAM/Cache可配置的1級數(shù)據(jù)存儲器L1D和128KBRAM/Cache可配置的2級程序/數(shù)據(jù)存儲器L2,存儲器體系結(jié)構(gòu)比較靈活。此外,TMS320DM6437還集成了片上ROMBootloader、兼容的JTAG接口、靈活的OSC/PLL時鐘發(fā)生器、獨立的節(jié)電模式等。

TMS320DM6437硬件結(jié)構(gòu)的另一特點是包含了一個視頻處理子系統(tǒng)(VPSS),它分為2部分:一部分是視頻處理前端輸入部分(VPFE),由CCD控制器、預(yù)覽器、柱狀顯示模塊、自動曝光/白平衡/聚焦模塊和縮放模塊組成,用于視頻采集;另一部分是視頻處理后端輸出部分(VPBE),由屏幕顯示設(shè)備和視頻編解碼組成,這增強了TMS320DM6437的視頻處理能力。

TMS320DM6437集成了豐富的片內(nèi)外設(shè),包括以下4部分。(1)系統(tǒng)外設(shè):包括2個64位通用定時器、1個64位看門狗定時器、3個脈沖寬度調(diào)制(PWM)和111個通用輸入/輸出引腳(GPIO),每個通用定時器可分別配置成2個獨立的32位定時器。(2)多種接口:包括多通道音頻串口(McASP)、2個多路緩沖串口(McBSP)、1個I2C總線接口、高端控制器局域網(wǎng)(CAN)控制器(HECC)及2個通用異步收發(fā)器(UART)接口。(3)連接器:包括1個外圍設(shè)備互連接口(PCI)(33MHz)、4個收發(fā)VLYNQ(FPGA)接口、10/100Mbps以太網(wǎng)媒體存取控制器(EMAC)及1個可編程的16位主機接口(HPI)。(4)外部存儲器接口:包括1個用于32位DDR2SDRAM高速存儲控制器接口,具有256MB尋址空間,1個8位異步外部存儲器接口(EMIFA),具有64MB尋址空間,如與NORFlash或NANDFlash存儲器相連,用于低速率的存儲器或外部設(shè)備接口。CPU的組成

TMS320DM6437的CPU主要包括以下幾個部分●程序取指單元;●指令分配單元;●指令譯碼單元;●2個數(shù)據(jù)通路A和B●64個32位寄存器;●控制寄存器組;●控制邏輯、測試、仿真及中斷邏輯。

圖2-2TMS320DM6437的CPU結(jié)構(gòu)2.2.1.CPU通用寄存器組每個通用寄存器組包含32個32位寄存器,如下表所示,這些寄存器可用于數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址指針或狀態(tài)寄存器。

表2-1控制寄存器組個字段功能通用寄存器組支持數(shù)據(jù)范圍大小從封裝的(packed)8位到64位定點,其值大于32位的,如40位和64位,被存儲到寄存器對中,即低32位數(shù)據(jù)存放到偶數(shù)序列寄存器中、剩余的高8位或高32位存放到緊挨的下一個奇數(shù)序列寄存器中。寄存器名間的冒號表示寄存器對,奇數(shù)序列的寄存器首先被指定。

下圖顯示了40位長數(shù)據(jù)的寄存器存儲方法,一個長整型數(shù)輸入的操作將忽略奇寄存器中的高24位,即奇寄存器中的高24位自動補0,偶寄存器以操作碼方式進行編碼。圖2-340位數(shù)據(jù)在寄存器對中的存儲方法2.2.2TMS320DM6437CPU控制寄存器組1、用戶可以通過控制寄存器組來選用CPU的部分功能。下表列出了C62xx/C64xx/C67共有的控制寄存器組,并對每個控制寄存器做了簡單描述。

表2-2控制寄存器組個字段功能縮寫寄存器名稱描述AMR尋址模式寄存器分別指定8個寄存器的尋址模式(線性尋址或循環(huán)尋址),也包括循環(huán)尋址的大小CSR空置狀態(tài)寄存器包含全局中斷使能定位,高速緩存控制位及其他控制和狀態(tài)位IFR中斷標志寄存器顯示中斷狀態(tài)ISR中斷設(shè)置寄存器允許手動設(shè)置掛起的中斷ICR中斷清除寄存器允許手動清除掛起的中斷IER中斷使能寄存器允許使能/禁止單個中斷ISTP中斷服務(wù)表指針指向中斷服務(wù)表的起點IRP中斷返回指針含有從可屏蔽中斷返回的地址NRP非可屏蔽中斷返回指針含有從非可屏蔽中斷返回的地址PCE1程序計數(shù)器,E1街拍含有E1街拍中獲取包的地址2.2TMS320DM6437CPU結(jié)構(gòu)

2、CPU狀態(tài)控制寄存器

狀態(tài)控制寄存器(CSR)包含控制位和狀態(tài)位,如圖2-4所示。表2-3詳細說明了各狀態(tài)位的功能。圖2-4狀態(tài)控制寄存器(CSR)

表2-3控制狀態(tài)寄存器(CSR)域描述在TMS320C64x+CPU中,PCC和DCC域被忽略。CSR的位15-10為PWRD域,用于節(jié)電和喚醒模式,如圖2-5所示。圖2-5狀態(tài)控制寄存器中的PWRD域2.2.3TMS320DM6437的CPU數(shù)據(jù)通路TMS320DM6437CPU包含2條數(shù)據(jù)通路(A和B),如圖2-6所示,其組成包括:2個通用寄存器組(A和B)、8個功能單元(.L1、.L2、.S1、.S2、.M1、.M2、.D1和.D2)、2個存儲器加載數(shù)據(jù)通路(L1D和L2D)、2個存儲器保存數(shù)據(jù)通路(ST1和ST2)、2個數(shù)據(jù)地址通路(DA1和DA2)和2個寄存器數(shù)據(jù)交叉通路(1X和2X)。圖2-6CPU的數(shù)據(jù)通路TMS320DM6437CPU數(shù)據(jù)通路的功能單元功能單元定點操作.L單元(.L1、.L2)32/40位算術(shù)和比較運算32位邏輯運算32位數(shù)最左邊1或0計數(shù)32位和40位數(shù)的歸一化計算字節(jié)移位數(shù)據(jù)壓縮/解壓5位常數(shù)生成雙16位算術(shù)運算4個8位算術(shù)運算雙16位最小/最大運算4個8位最小/最大.S單元(.S1、.S2)32位算術(shù)運算32/40位移位運算和32位位操作32位邏輯運算分支操作常數(shù)生成寄存器與控制寄存器間傳送(僅限.S2)字節(jié)移位數(shù)據(jù)壓縮/解壓雙16位比較運算4個8位比較運算雙16位移位運算雙16位飽和算術(shù)運算4個8位飽和算術(shù)運算.M單元(.M1、.M2)32×32位乘法運算16×16位乘法運算16×32位乘法運算4個8×8位乘法運算雙16×16位乘法運算雙16×16位乘、加/減運算4個8×8位乘、加運算位擴展運算位交錯/去交錯運算變量移位運算反轉(zhuǎn)有限域(GaloisField)乘法運算.D單元(.D1、.D2)32位加、減、線性和循環(huán)地址計算5位15位常數(shù)偏移的加載和保存(僅限.D2)帶5位常數(shù)雙字的加載和保存非定向字和雙字的加載和保存5位常數(shù)生成32位邏輯運算2.3.1、片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)

TMS320DM6437片內(nèi)存儲器是一個兩級緩存結(jié)構(gòu),如圖2-7所示。圖2-7存儲空間兩級緩存結(jié)構(gòu)第一級L1包含了程序緩存區(qū)L1P(32KB)和數(shù)據(jù)緩存區(qū)L1D(80KB)兩個獨立的高速緩存模塊,這體現(xiàn)了程序與數(shù)據(jù)分開存儲的哈佛結(jié)構(gòu),提高了DSP的并行運行效率,L1能與DSP內(nèi)核直接進行數(shù)據(jù)交換。第二級程序/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)L2(128KB)不能與DSP內(nèi)核直接交換數(shù)據(jù),L2可以整體作為SRAM映射到存儲空間,或者整體作為第二級Cache,或者配置成SRAM和Cache混合使用,其中配置成RAM的部分從起始地址Ox00000000開始編址,并且可被直接尋址,而配置成Cache的部分其容量必須是0KB、32KB、64KB或128KB。

TMS320DM6437在進行數(shù)據(jù)訪問時:(1)查看L1中是否有該數(shù)據(jù)存在,若L1中存在該數(shù)據(jù),則直接從L1讀寫數(shù)據(jù);(2)若L1沒有存儲該數(shù)據(jù),則訪問二級緩存L2;(3)若L2也沒有緩存數(shù)據(jù),則通過EMIF接口訪問外部SDRAM,把數(shù)據(jù)從外部SDRAM拷貝到L2緩存區(qū),再從L2緩存區(qū)拷貝到L1,最后由TMS320DM6437從L1讀寫該數(shù)據(jù)。2.3.2、存儲器空間分配要充分利用片內(nèi)+片外三級存儲器結(jié)構(gòu),必須提高DSP內(nèi)核讀取數(shù)據(jù)時的命中率,對Cache大小進行配置的原則是將盡量多的關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配在片內(nèi),Cache越大越好,對于不同的應(yīng)用需要用不同的配置。最優(yōu)配置需要在開發(fā)中根據(jù)經(jīng)驗和實際測試結(jié)果進行選擇。起始地址結(jié)束地址大小/KB存儲器映射0x008000000x0080FFFF128L2RAM/Cache0x00E000000x00E0FFFF32L1PRAM/Cache0x00F040000x00F0FFFF48L1DRAM0x00F100000x00F1FFFF32L1DRAM/Cache0x108100000x1081FFFF128L2RAM/Cache0x10E000000x10E0FFFF32L1PRAM/Cache0x10F040000x10F0FFFF48L1DRAM0x10F100000x10F1FFFF32L1DRAM/Cache2.3.3一級片內(nèi)程序存儲器片內(nèi)程序存儲器L1P(Level1programmemoryandcache)的主要功能是最大化代碼執(zhí)行的性能,L1P的可配置性提高了系統(tǒng)靈活性,其配置成cache的容量支持0K、4K、8K、16K和32K。

L1P存儲器最大可支持1MB的RAM和ROM,存儲空間可分割成2個區(qū)域,每個區(qū)域不大于512KB。L1P存儲器的基址被約束在1MB范圍內(nèi),其總的大小必須是16KB的倍數(shù)。L1P存儲器被分割成2個區(qū)域,表示為L1P區(qū)域0和L1P區(qū)域1,它們的主要特點是:(1)每個區(qū)域有不同數(shù)量的等待狀態(tài)(2)每個區(qū)域有單獨的存儲保護條目。CPU中含有一個內(nèi)部控制寄存器——控制狀態(tài)寄存器(CSR),它為cache控制操作規(guī)定了一個字段(PCC),從而為C64x+/C64x/C62x/C67x設(shè)備提供反相兼容。L1P配置寄存器(L1PCFG)控制L1Pcache的大小,如圖2-7和表2-5所示。圖2-7L1P配置寄存器(L1PCFG)

表2-5L1P配置寄存器(L1PCFG)字段描述

L1Pcache控制寄存器(L1PCC)控制L1P是否為凍結(jié)模式,如圖2-8和表2-6所示。圖2-8LIPcache控制寄存器(L1PCC)表2-6LIPcache控制寄存器(L1PCC)字段描述L1P無效基址寄存器(L1PIBAR)定義了一致性操作作用的無效塊的基址,如圖2-9和表2-7所示。圖2-9L1P無效基址寄存器(L1PIBAR)表2-7L1P無效基址寄存器(L1PIBAR)字段描述L1P無效字計數(shù)寄存器(L1PIWC)定義了一致性操作作用的無效塊的大小,如圖2-10和表2-8所示。圖2-10L1P無效字計數(shù)寄存器(L1PIWC)表2-8L1P無效字計數(shù)寄存器(L1PIWC)字段描述L1P無效寄存器(L1PINV)控制L1Pcache的全局無效,如圖2-11和表2-9所示。表2-9L1P無效寄存器(L1PINV)字段描述圖2-11L1P無效寄存器(L1PINV)L1Pcache是直接映射緩存,這意味著系統(tǒng)的每一個物理內(nèi)存單元在cache中都保留一個可能的位置,當CPU試圖取一段程序代碼時,L1P必須檢查是否在L1Pcache中保留了需要的地址。為此,CPU提供的32位地址被分割成3個字段(tag、set和offset),如圖2-12所示。圖2-12數(shù)據(jù)存取地址結(jié)構(gòu)偏置(Offset)字段占用了32位L1Pline的前5位,其被cache控制邏輯忽略。設(shè)置(Set)字段指明L1Pcacheline的地址,其緩存數(shù)據(jù)將被保留,設(shè)置字段的寬度取決于L1P配置成cache的數(shù)量。L1P使用設(shè)置字段來查找和檢查任意已緩存數(shù)據(jù)的標簽(Tag)和有效位,這反映了標簽地址是否真正是cache中的有效地址。標簽字段占據(jù)存儲地址的上部,它確定了數(shù)據(jù)單元的真實物理位置。L1P結(jié)構(gòu)允許在運行時選擇L1Pcache大小,通過寫請求模式到L1PCFG寄存器的L1PMODE字段來選擇L1Pcache大小,如表2-10所示。表2-10通過L1PCFG寄存器中的L1PMODE位指定Cache大小當設(shè)計的程序需要一定量的cache時,應(yīng)該設(shè)置為模式值的上界。為了確保正確的cache,需要進行無效設(shè)置,然而由于部分L1PRAM變成cache,為了安全的改變L1Pcache模式,在應(yīng)用中還需要遵守表2-11中的規(guī)則。表2-11L1P模式轉(zhuǎn)換規(guī)則2.3.4、一級片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器L1D(Level1DataMemoryandCache)主要功能是最大化數(shù)據(jù)處理性能,L1D的可配置性為系統(tǒng)使用L1D提供了靈活性。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器L1D具有以下特點:(1)可配置成cache的大小包括0K、4K、8K、16K和32K(2)支持存儲保護(3)提供塊緩存和全局一致操作

L1D存儲器最大可支持1MB的存儲映射RAM和ROM,L1D存儲器的基址被約束在1MB范圍內(nèi),其總的大小必須是16KB的倍數(shù)。L1D存儲器被分割成2個區(qū)域,表示為L1D區(qū)域0和L1D區(qū)域1,其有以下特點:(1)每個區(qū)域有單獨的內(nèi)存保護條目;(2)部分L1D區(qū)域1可被轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)cache。L1D存儲器結(jié)構(gòu)允許將部分或全部的L1D區(qū)域1轉(zhuǎn)換成讀分配、寫返回和雙向集關(guān)聯(lián)的cache。為了便于以全CPU時鐘頻率讀寫數(shù)據(jù),同時具有大的系統(tǒng)內(nèi)存,cache是非常必要的,其主要是用于緩解從較慢的系統(tǒng)存儲單元進行讀/寫操作帶來的延遲。

表2-12L1Dcache控制操作

L1Dcache操作受控于如表2-12所示的控制寄存器,這些寄存器允許改變cache的模式和手動初始cache一致操作,L1Dcache也會受到寫入L2指定控制的影響。CPU有一個內(nèi)部控制寄存器,其給出一個字段用于cache控制操作,即CSR。CSR控制寄存器中的DCC字段以多種方式控制L1D操作。L1Dcache配置寄存器(L1DCFG)控制L1Dcache的大小,如圖2-13和表2-13所示。圖2-13L1D配置寄存器(L1DCFG)表2-13L1D配置寄存器(L1DCFG)字段描述L1Dcache控制寄存器(L1DCC)控制L1D是否為凍結(jié)模式,如圖2-14和表2-14所示。圖2-14LIDcache控制寄存器(L1DCC)表2-14LIDcache控制寄存器(L1DCC)字段描述L1D無效寄存器(L1DINV)控制L1Dcache的全局無效,如圖2-15和表2-15所示。圖2-15L1D無效寄存器(L1DINV)表2-15L1D無效寄存器(L1DINV)字段描述

L1D寫回寄存器(L1DWB)如圖2-16和表2-16所述。圖2-16L1D寫回寄存器(L1DWB)表2-16L1D寫回寄存器(L1DWB)字段描述L1D無效寫回寄存器(L1DWBINV)控制L1Dcache的無效寫回操作,如圖2-17和表2-17所示。圖2-17L1D無效寫回寄存器(L1DWBINV)表2-17L1D無效寫回寄存器(L1DWBINV)字段描述L1D無效基址寄存器(L1DIBAR)定義了無效塊基址,如圖2-18和表2-18所示。圖2-18L1D無效基址寄存器(L1DIBAR)表2-18L1D無效基址寄存器(L1DIBAR)字段描述L1D無效字計數(shù)寄存器(L1DIWC)定義了無效塊的大小,其定義的大小為32位,如圖2-19和表2-19所示。圖2-19L1D無效字計數(shù)寄存器(L1DIWC)表2-19L1D無效字計數(shù)寄存器(L1DIWC)字段描述L1D寫回基址寄存器(L1DWBAR)定義寫回塊的基址,如圖2-20和表2-20所示。圖2-20L1D寫回基址寄存器(L1DWBAR)表2-20L1D無效基址寄存器(L1DWBAR)字段描述L1D無效寫回字計數(shù)寄存器(L1DWIWC)定義了無效寫回塊的大小,其定義的大小為32位,如圖2-21和表2-21所示。圖2-21L1D無效寫回字計數(shù)寄存器(L1DWIWC)表2-21L1D無效字計數(shù)寄存器(L1DWIWC)字段描述L1Dcache是一個雙向集關(guān)聯(lián)cache,這意味著系統(tǒng)的每個物理內(nèi)存單元在cache中都保留2個可能的位置,當CPU試圖訪問一段數(shù)據(jù)時,L1D必須檢查是否在L1Dcache中保留了需要的地址。為此,CPU提供的32位地址被分割成6個數(shù)據(jù)字段,如圖2-22所示。圖2-22數(shù)據(jù)存取地址結(jié)構(gòu)L1Dline大小為64位,偏置(Offset)字段占用了前6位。設(shè)置(Set)字段表明L1Dcache線地址,其緩存數(shù)據(jù)將被保留,設(shè)置字段的寬度取決于L1D配置成cache的大小,如表2-22所示。使用設(shè)置字段來查找和檢查任意已緩存數(shù)據(jù)的標簽和有效位,這表明標簽地址是否真正代表cache中的有效地址。

表2-22設(shè)置(Set)字段寬度對應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問地址2.3.5、二級片內(nèi)存儲器二級片內(nèi)存儲器(L2memoryandcache)為較快的一級片內(nèi)存儲器(L1P和L1D)與較慢的外部存儲單元間數(shù)據(jù)傳送存儲提供了一個片上存儲解決方案,其優(yōu)勢在于提供了比L1存儲器更大的存儲空間,同時也提供了比外部存儲更快的數(shù)據(jù)訪問。類似于L1存儲器,L2可配制成cache和非cache(可尋址)存儲器。

L2存儲器提供了設(shè)備需要的靈活存儲方式,包括2個存儲端口(port0和port1),可配置的L2cache大小,存儲保護,支持緩存塊和全局一致操作,4個可配置的節(jié)電模式頁。L2存儲器提供的2個256位寬的存儲接口稱為port0和port1,這兩個端口的使用依賴于設(shè)備,在多數(shù)設(shè)備中,2個存儲端口使用如下:(1)Port0:L2RAM、L2cache(2)Port1:L2ROM、L2RAM、共享存儲接口這兩個存儲端口可編址存儲段,其編址可能是不連續(xù)的,表2-23闡明了port0和port1如何在2×128位bank的情況下用于低位優(yōu)先(littleendian)模式。表2-232×128位banking方案L1P“讀漏”(32字節(jié))需要單一端口的全部存儲bank,當L2存儲器具有高延遲時,在同一周期或直到該端口完成訪問前,其他訪問不能進行。L1D的讀漏(64字節(jié))或?qū)懟匾残枰獑我欢丝诘娜看鎯ank,用于兩次連續(xù)訪問。L2cache的操作通過以下寄存器進行控制,如表2-24對這些控制寄存器進行了總結(jié)。表2-24L2cache控制寄存器這些寄存器分為3類,涉及以下部分:

Cache大小和操作模式控制,這些寄存器控制cache大小和cache是否為凍結(jié)模式或正常操作模式;

面向塊和全局一致性操作,這些操作允許從cache中手動移出數(shù)據(jù);

可緩存性控制,這些寄存器控制cache是否允許存儲一定范圍內(nèi)存的副本。L2配置寄存器(L2CFG)控制L2cache操作,可設(shè)置L2內(nèi)存作為cache的大小、控制L2凍結(jié)模式及保持L1D/L1P無效位,如圖2-23和表2-25所示。圖2-23L2配置寄存器(L2CFG)表2-25L2配置寄存器(L2CFG)字段描述

L2寫回基址寄存器(L2WBAR)如圖2-24和表2-26所示。圖2-24L2寫回基址寄存器(L2WBAR)表2-26L2寫回基址寄存器(L2WBAR)字段描述L2寫回字計數(shù)寄存器(L2WWC)定義無效塊的大小,其大小以32位字進行定義,寫入一個大于FFE0h的數(shù)字會導(dǎo)致寫入單元不被修改,如圖2-25和表2-27所示。圖2-25L2寫回字計數(shù)寄存器(L2WWC)表2-27L2寫回字計數(shù)寄存器(L2WWC)字段描述L2無效寫回字計數(shù)寄存器(L2WIWC)定義無效塊的大小,其大小以32位字進行定義,寫入一個大于FFE0h的數(shù)字會導(dǎo)致寫入單元不被修改,如圖2-26和表2-28所示。圖2-26L2無效寫回字計數(shù)寄存器(L2WIWC)表2-28L2無效寫回字計數(shù)寄存器(L2WIWC)字段描述L2無效基址寄存器(L2IBAR)定義無效塊的基址,如圖2-27和表2-29所示。圖2-27L2無效基址寄存器(L2IBAR)表2-29L2無效基址寄存器(L2IBAR)字段描述L2無效字計數(shù)寄存器(L2IWC)定義了無效塊的大小,其大小以32位字進行定義,寫入一個大于FFE0h的數(shù)字會導(dǎo)致寫入單元不被修改,如圖2-28和表2-30所示。圖2-28L2無效字計數(shù)寄存器(L2IWC)表2-30L2無效字計數(shù)寄存器(L2IWC)字段描述L2寫回寄存器(L2WB)控制L2cache的全局寫回操作,如圖2-29和表2-31所示。圖2-29L2寫回寄存器(L2WB)表2-31L2寫回寄存器(L2WB)字段描述L2無效寫回寄存器(L2WBINV)控制L2cache的無效寫回操作,如圖2-30和表2-32所示。圖2-30L2無效寫回寄存器(L2WBINV)表2-32L2無效寫回寄存器(L2WBINV)字段描述L2無效寄存器(L2INV)控制L2cache的全局無效,如圖2-31和表2-33所示。圖2-31L2無效寄存器(L2INV)表2-33L2無效寄存器(L2INV)字段描述L2內(nèi)存屬性寄存器(MARn)定義外部存儲空間的可緩沖性,只在管理員模式下可寫,其通用結(jié)構(gòu)如圖

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