arm处理器内核介绍.ppt
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1、ARM 处理器内核,简要定义,固化宏单元(硬核)ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E,可综合内核(软核)ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S,测试芯片ARM10200E,IP核、软核、硬核、固核,IP(IntellectualProperty)就是常说的知识产权。IP定义为用于ASIC、ASSP和PLD等当中,并且是预先设计好的电路模块。IP核模块有行为(Behavior)、结构(Structure)和物理(Physical)三级不同程度的设计,对应描述功能行为的不同分为三类,即软核(SoftIPCore)、完成结构描述的固核(FirmIPCo
2、re)和基于物理描述并经过工艺验证的硬核(HardIPCore)。什么是软核?IP软核通常是用HDL文本形式提交给用户,它经过RTL级设计优化和功能验证,但其中不含有任何具体的物理信息。据此用户可以综合出正确的门电路级设计网表,并可以进行后续的结构设计,具有很大的灵活性,借助于EDA综合工具可以很容易地与其他外部逻辑电路合成一体,根据各种不同半导体工艺,设计成具有不同性能的器件。软IP内核也称为虚拟组件(VC-VirtualComponent)。,什么是硬核?IP硬核是基于半导体工艺的物理设计,已有固定的拓扑布局和具体工艺,并已经过工艺验证,具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩
3、模版图和全套工艺文件,是可以拿来就用的全套技术。什么是固核?IP固核的设计程度则是介于软核和硬核之间,除了完成软核所有的设计外,还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供给用户.,今天的内容,ARM7TDMI 处理器内核系列ARM9TDMI 处理器内核系列ARM10E处理器内核系列其他处理器,ARM7家族,ARM7家族ARM7家族包括:ARM720T、ARM7EJ-S、ARM7TDMI和ARM7TDMI-S,最常见的是ARM7TDMI。主要应用于个人音频设备(MP3)和无限手持设备等,什么是 ARM7TDMI?,ARM7TDMI 是基于 ARM7 内核3 级流水线-
4、0.9MIPS/MHz冯.诺依曼架构CPI(Cycle Per Instruction)约为1.9 T-Thumb 架构扩展,提供两个独立的指令集:ARM 指令,均为 32位Thumb指令,均为 16位两种运行状态,用来选择哪个指令集被执行D-内核具有Debug扩展结构M-增强乘法器(32x8)支持64位结果.I-EmbeddedICE-RT逻辑-提供片上断点和调试点支持,ARM7TDMI 内核信号,ARM7TDMI 方框图,ARM7TDM内核,TAP 控制器,JTAG 接口,数据总线,控制信号,D31:0,地址总线,A31:0,DIN31:0,DOUT31:0,BUSSplitter,Emb
5、eddedICE逻辑,乘法器,ARM7TDMI 内核,指令解码,地址自增器,nRESET,nMREQ,SEQ,ABORT,nIRQ,nFIQ,nRW,MAS1:0,LOCK,nCPI,CPA,CPB,nWAIT,MCLK,nOPC,BIGEND,ISYNC,nTRANS,nM4:0,D31:0,桶形移位器,32 位 ALU,DBE,写数据 寄存器,读数据 寄存器,地址寄存器,寄存器,A31:0,ABE,及,控制 逻辑,PC Update,解码站,指令 解码,Incrementer,PC,ABus,BBus,ALUBus,指令流水线,为增加处理器指令流的速度,ARM7 系列使用3级流水线.允许多
6、个操作同时处理,比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令,而非正在执行的指令,Fetch,Decode,Execute,从存储器中读取指令,解码指令,寄存器读(从寄存器Bank)移位及ALU操作寄存器写(到寄存器Bank),PCPC,PC-4 PC-2,PC 8 PC-4,ARMThumb,最佳流水线,该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中(单周期执行)指令周期数(CPI)=1,操作,周期,1 2 3 45 6,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execut
7、e,Fetch,Decode,Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,T标志位的作用,16,16,32-bit data,16,A1,Mux,Thumb指令解码,Mux,Mux,T标志,ARM指令解码,阶段 1,阶段 2,D31:0,0,1,1,0,Fetch,Decode,Execute,带Cache的ARM7TDMI,ARM710T8K 统一的 cache 完整的内存管理单元(mmu),支持虚拟地址和存储器保护写缓冲,ARM720T同ARM710T,但支持 WinCEARM740T8K 统一的 cache内存管理单元写缓冲,ARM7T
8、DMI内核,地址,地址,数据读,AMBA接口,写缓冲,MMU,数据写,数据,ARM7xxT,控制逻辑,Cache,AMBA总线接口,JTAG 和非 AMBA 信号,CP15,今天的内容,ARM7TDMI 处理器内核系列ARM9TDMI 处理器内核系列ARM10E处理器内核系列其他处理器,ARM9 家族,ARM9 家族包括:ARM920T、ARM922T和ARM940T。这一系列的处理器主要应用于下一代手持设备、视频电话、PDA、数字消费产品、机顶盒、家用网关等,ARM9TDMI,Harvard架构增加了可用的存储器宽度指令存储器接口数据存储器接口可以实现对指令和数据存储器的同时访问5 级流水线
9、实现了以下改进:改进 CPI 到 1.5提高了最大时钟频率,最高时钟频率达到200-300MHZ,ARM9TDMI数据通道(1),寄存器Bank,ALU,C,B,A,DINFWD,结果,DA,DD,数据递增,向量,指令递增,IA,字节旋转/符号扩展.,MU 逻辑,双向缓冲器,字节/半字复制,MU逻辑单元包含有:多路复用器,乘法器和桶形移位器,数据总线,地址总线,字节/半字,指令地址总线,ARM9TDMI 数据通道(2),寄存器Bank,PSR,乘法器,移位器,ALU,B,A,Imm,DINFWD,BDATA,ADATA,锁存,锁存,MU 逻辑,结果,MU逻辑单元包含有:多路复用器,乘法器和桶形
10、移位器,ARM9TDMI流水线的变化,InstructionFetch,Shift+ALU,MemoryAccess,RegWrite,RegRead,RegDecode,取指,译码,执行,缓冲/数据,回写,ARM9TDMI,ARM or ThumbInst Decode,Reg Select,RegRead,Shift,ALU,RegWrite,ThumbARMdecompress,ARM decode,InstructionFetch,取指,译码,执行,ARM7TDMI,周期,操作,ADD R1,R1,R2,SUB R3,R4,R1,ORR R8,R3,R4,AND R6,R3,R1,EO
11、R R3,R1,R2,LDRR4,R7,最佳流水线,本例中,用了6个时钟周期执行6条指令,CPI=1。LDR指令没有引起流水线互锁,带Cache的ARM9TDMI,ARM9TDMI,D Cache,I Cache,MMU,GLUE,外部存储器,ARM920T2x 16K caches MMU支持虚拟地址和内存保护 写缓冲,ARM940T2x 4K caches MPU写缓冲,ARM9xxT,ARM9E微处理器包含:ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-SARM9E系列微处理器是可综合处理器,使用单一的处理器内核提供了微控制器,DSP,Java应用系统的解决方案,极大地减少了
12、芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力,和适合那些同时需要DSP和微控制器的应用场合。ARM9E微处理器主要应用于下一代无线设备,数字消费品,成像设备,工业控制,存储设备,网络设备领域,2.6 ARM片上总线,AMBAAdvanced Microcontroller Bus Architecture(先进的微控制器总线体系结构)AMBA总线定义3种规范AHBAdvanced High-performance Bus:用于连接高性能、高吞吐量的系统模块,如:CPU、DMA和DSP。它支持突发数据传输方式及单个数据传输方式,所有的时序都以单一时钟沿为基准。AS
13、BAdvanced System Bus:是一种微处理器和系统外设的高性能互联总线。APBAdvanced Peripheral BUS:外围互联总线,其特点是易于使用和低功耗。适合于微处理器、存储器和具有复杂内建接口的外围宏单元。,MPU(存储器保护单元),一些嵌入式系统使用多任务的操作或控制系统.在这种系统当中,必须保证正在运行的任务不破坏其他任务的操作.防止系统资源和其他任务受非法访问的工作称为保护.系统资源的访问控制有两种方法:无硬件保护和有硬件保护.ARM的很多处理器配备了有效保护系统资源的硬件,或者通过存储器保护单元MPU;或者通过存储器管理单元MMU(mermory manage
14、ment unit).,议程,ARM7TDMI 处理器内核系列ARM9TDMI 处理器内核系列ARM10E处理器内核系列其他处理器,ARM10E 系列概述,ARM1020E5TE架构CPI 1.36 级流水线静态分支预测32kB 指令cache和32kB数据cache支持“Hit under miss”非阻塞的执行单元每周期64 位的 LDM/STM操作EmbeddedICE逻辑-RT-II支持新的 VFPv1 结构ARM1022E同上,除了cache大小为16kB对SUDL(single user design license)有效,ARM10 与ARM9的流水线对比,指令取指,移位+ALU
15、,寄存器写,寄存器读,寄存器译码,FETCH,DECODE,EXECUTE,MEMORY,WRITE,ARM9TDMI,ARM 或 Thumb指令解码,ARM10,指令地址 生成,移位+ALU,数据 Cache 接口,寄存器写,FETCH,DECODE,EXECUTE,MEMORY,WRITE,寄存器读+结果 前向迁移+记分板,乘法,乘 加,协处理器 数据接口,分支预测,指令取指,ISSUE,寄存器访问,数据+分支地址生成,ARM 或 Thumb指令解码,协处理器 指令发出,议程,ARM7TDMI 处理器内核系列ARM9TDMI 处理器内核系列ARM10E处理器内核系列其他处理器,Intel
16、StrongARM 概述,StrongARM 是采用ARM体系结构高度集成的32RISC微处理器.它融合了Intel公司的设计和处理技术,以及ARM体系结构的电源效率,采用在软件上兼容ARM的 V4体系结构,同时采用了具有 Intel技术优点的体系结构.StrongARM 是Intel公司为手持消费类电子设备和移动计算与通信设备生产的嵌入式处理器.采用StrongARM结构的处理器有:SA-1,SA-110,SA-1100和IXP1200,Intel XScale 概述,xscale是英特尔公司为单片机(嵌入式系统)市场所设计的一种微处理器,其基本结构是采用了第五代ARM微处理器的(ARMv5
17、TE)“核”。Xscale一共有四个系列:IXP,IXC,IOP and PXA.PXA最普遍,主要是针对无线通讯和掌上数码电器市场的,操作系统包括linux,Windows CE,Symbian OS,和其他一些RTOS.,cortex概述,ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名,并分成A、R和M三类,旨在为各种不同的市场提供服务。Cortex系列属于ARMv7架构,这是ARM公司最新的指令集架构。ARMv7架构定义了三大分工明确的系列:“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用;“R”系列针对实时系统;“M”系列对微控制器。由于应用领域不同,基于v7架构的
18、Cortex处理器系列所采用的技术也不相同,基于v7A的称为Cortex-A系列,基于v7R的称为Cortex-R系列,基于v7M的称为Cortex-M系列。,三星S3C2410X处理器详解,S3C2410 是韩国三星公司的一款基于ARM920T 内核的16/32 位RISC 嵌入式微处理器,主要面向手持设备以及高性价比,低功耗的应用。运行的频率可以达到203MHz。ARM920T 核由ARM9TDMI,存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。其中MMU 可以管理虚拟内存,高速缓存由独立的16KB 地址和16KB 数据高速Cache 组成。ARM920T 有两个协处理器:CP14 和CP1
19、5。CP14 用于调试控制,CP15 用于存储系统控制以及测试控制。,ARM920T核心,S3C2410 的资源,S3C2410X内核结构,ARM920T核心,ARM920TDMI 微处理器,存储管理单元MMU,指令高速缓存,数据高速缓存,S3C2410X内核结构,LCD 控制器,中断 控制器,USB主机控制器,电源管理,NAND FLASH控制器,存储控制器,S3C2410X内核结构,三星S3C2410X处理器详解,S3C2410 的资源包括:1 个LCD 控制器(支持STN 和TFT 带有触摸屏的液晶显示屏)。SDRAM 控制器。3 个通道的UART。4 个通道的DMA。4 个具有PWM
20、功能的计时器和一个内部时钟。8 通道的10 位ADC。触摸屏接口。,三星S3C2410X处理器详解,S3C2410 的资源包括:IIS 总线接口。2 个USB 主机接口,1 个USB 设备接口。2 个SPI 接口。SD 接口和MMC 卡接口。看门狗计数器。117 个通用I/O 口和24 位外部中断源。8 通道10 位AD 控制器。,S3C2410X引脚分布,272脚的FBGA封装,输入/输出口P76,S3C2410有117个通用I/O口(PORT A-PORT H)。这些I/O口为系统编程提供了极大的方便。(1)PORT B控制寄存器,S3C2410存储器控制器P87,S3C2410存储器控制
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