第6章ARM Cortex-A8處理器(2014年4月1日)

1、共35頁1第第6 6章章 ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8處理器處理器 1 1學時學時本章的主要內容本章的主要內容1 1、Cortex-A8Cortex-A8處理器處理器 技術特點技術特點；2 2、Cortex-A8Cortex-A8內部內部 功能及特點功能及特點；3 3、Cortex-A8Cortex-A8內核工作模式內核工作模式；4 4、Cortex-A8Cortex-A8存儲系統(tǒng)。存儲系統(tǒng)。共35頁2本章教學要求本章教學要求 介于介于后期課程后期課程及及實驗平臺實驗平臺采用的采用的是基于是基于 Cortex-A8Cortex-A8 處理器，本章主處理器，本章主要講述該

2、處理器的要講述該處理器的 特點特點 和和 功能功能。要求大家了解這些內容。要求大家了解這些內容。 共35頁36.1 6.1 ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8 處理器技術特點處理器技術特點 ARM Cortex-A8 ARM Cortex-A8處理器是一款適用于處理器是一款適用于 復雜操作系統(tǒng)復雜操作系統(tǒng) 及及 用戶應用用戶應用 的應用處理的應用處理器，支持器，支持 智能能源管理智能能源管理（Intelligent Intelligent Energy MangerEnergy Manger，IEMIEM ）技術的）技術的ARM ARM ArtisanArtisan庫庫及及先

3、進的泄漏控制技術先進的泄漏控制技術，使得，使得Cortex-A8Cortex-A8處理器實現(xiàn)了處理器實現(xiàn)了 非凡的速度非凡的速度 和和 功耗效率功耗效率。共35頁4 在在 65nm65nm 工藝下，工藝下，ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8處處理器的功耗不到理器的功耗不到 300mW300mW，能夠提供高性能，能夠提供高性能和低功耗。它和低功耗。它 第一次第一次 為低費用、高容量為低費用、高容量的產品帶來了的產品帶來了 臺式機級別的性能臺式機級別的性能。 Cortex-A8 Cortex-A8 處理器是處理器是第一款第一款基于下一基于下一代代 ARMv7ARMv7 架構的應用

4、處理器，使用了能架構的應用處理器，使用了能夠帶來夠帶來更高性能更高性能、更低功耗更低功耗和和更高代碼密更高代碼密度度的的Thumb-2Thumb-2技術技術。共35頁5 它首次采用了強大的它首次采用了強大的 NEONNEON 信號處理信號處理擴展集，為擴展集，為 H.264 H.264 和和 MP3MP3 等媒體編解碼等媒體編解碼提供加速。提供加速。 Cortex-A8 Cortex-A8 的解決方案還包括的解決方案還包括Jazelle-RCTjavaJazelle-RCTjava 加速技術，對加速技術，對實時實時（JTTJTT）和）和動態(tài)調整編譯動態(tài)調整編譯（DACDAC）提供最）提供最優(yōu)化

5、，同時優(yōu)化，同時減少內存減少內存占用空間高達占用空間高達3 3倍倍。NEON NEON 技術可加速多媒體和信號處理算法（如技術可加速多媒體和信號處理算法（如視頻編碼視頻編碼/ /解碼、解碼、2D/3D 2D/3D 圖形、游戲、音頻和圖形、游戲、音頻和語音處理、圖像處理技術、電話和聲音合語音處理、圖像處理技術、電話和聲音合成），其性能至少為成），其性能至少為 ARMv5 ARMv5 性能的性能的 3 3 倍，倍，為為 ARMv6ARMv6 SIMD SIMD 性能的性能的 2 2 倍。倍。 共35頁6 該處理器配置了先進的該處理器配置了先進的超標量體系結超標量體系結構流水線構流水線，能夠，能夠同

6、時執(zhí)行多條指令同時執(zhí)行多條指令。 處理器集成了一個可調尺寸的處理器集成了一個可調尺寸的二級二級高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器，能夠同高速的，能夠同高速的 16KB 16KB 或者或者 32KB32KB 一級高速緩沖存儲器一級高速緩沖存儲器一起工一起工作，從而達到作，從而達到最快的讀取速度最快的讀取速度和和最大的最大的吞吐量吞吐量。新處理器還配置了用于。新處理器還配置了用于安全交安全交易易和和數(shù)字版權管理數(shù)字版權管理的的 Trust ZoneTrust Zone 技術。技術。1313級級共35頁7 Cortex-A8Cortex-A8處理器使用了先進的處理器使用了先進的 分支預測技術分支預測技術，

7、并且具有專用的，并且具有專用的 NEONNEON整型和浮點型整型和浮點型 流水線流水線進行進行媒體媒體和信號處理和信號處理。在使用小于。在使用小于 4mm4mm2 2 的硅的硅片及低功耗的片及低功耗的 65nm 65nm 工藝情況下，工藝情況下，Cortex-A8Cortex-A8處理器的運行頻率將高于處理器的運行頻率將高于600MHz600MHz（不包括（不包括NEONNEON追蹤技術和二級追蹤技術和二級高速緩沖存儲器）。高速緩沖存儲器）。共35頁8 在高性能的在高性能的 90nm90nm 和和 65nm65nm 工藝下，工藝下，Cortex-A8Cortex-A8處理器運行頻率最高可達處理

8、器運行頻率最高可達 1GHz1GHz，能夠滿足高性能消費產品設計的，能夠滿足高性能消費產品設計的需要。需要。共35頁96.26.2 Cortex-A8 Cortex-A8 內部功能及特點內部功能及特點 Cortex-A8 Cortex-A8 處理器是一款處理器是一款高性能高性能、低低功耗功耗的處理器芯片，并且支持的處理器芯片，并且支持CacheCache、虛、虛擬存取，它的特性如下：擬存取，它的特性如下：（1 1）完全執(zhí)行）完全執(zhí)行 V7-A V7-A 體系指令集；體系指令集；（2 2）可配置）可配置 6464位位 或或 128128位位 AMBA AMBA 高速高速總線接口總線接口 AXIA

9、XI；（3 3）具有一個集成的整型流水線；）具有一個集成的整型流水線；Advanced Microcontroller Bus Architecture Advanced eXtensible Interface 共35頁10（4 4）具有一個）具有一個 NEONNEON 技術下執(zhí)行技術下執(zhí)行 SIMD/VFP SIMD/VFP 的流水線；的流水線；（5 5）支持動態(tài)分支預取，全局歷史緩存，）支持動態(tài)分支預取，全局歷史緩存，8 8入口返回棧；入口返回棧；（6 6）具有獨立的數(shù)據）具有獨立的數(shù)據/ /指令指令MMUMMU；（7 7）16KB/32KB16KB/32KB可配置可配置1 1級級Cac

10、heCache；（8 8）具有帶）具有帶 奇偶校驗奇偶校驗 及及 ECCECC校驗校驗 的的2 2級級CacheCache； Single Instruction Single Instruction Multiple Data Multiple Data 單指令多重數(shù)單指令多重數(shù)據據/ VFP / VFP 提供大多數(shù)適用于浮提供大多數(shù)適用于浮點運算的應用點運算的應用 共35頁11（9 9）支持）支持 ETMETM 的非侵入式調試；的非侵入式調試；（1010）具有靜態(tài)）具有靜態(tài)/ /動態(tài)電源管理功能。動態(tài)電源管理功能。ARMv7ARMv7體系指令集方面表現(xiàn)如下特點：體系指令集方面表現(xiàn)如下特點：

11、（1 1）支持）支持ARN Thumb-2ARN Thumb-2高密度指令集；高密度指令集；（2 2）使用）使用ThumbEEThumbEE，執(zhí)行環(huán)境加速；，執(zhí)行環(huán)境加速；（3 3）完全擴展體系加強了安全應用的可）完全擴展體系加強了安全應用的可靠性；靠性；嵌入式跟蹤宏單元嵌入式跟蹤宏單元 共35頁12（4 4）先進的）先進的 SIMD SIMD 體系技術用于加速多體系技術用于加速多媒體應用；媒體應用；（5 5）支持）支持 VFPVFP 第三代向量浮點運算。第三代向量浮點運算。共35頁136.3 6.3 Cortex-A8Cortex-A8 內核工作模式內核工作模式 Cortex-A8Corte

12、x-A8 基于基于 ARMv7-AARMv7-A 架構，架構，共有共有 8 8 種工作模式：種工作模式：（1 1）用戶模式（）用戶模式（UserUser） 簡稱簡稱 UsrUsr，正常程序執(zhí)行模式，大部，正常程序執(zhí)行模式，大部分任務執(zhí)行在這種模式下；分任務執(zhí)行在這種模式下；（2 2）快速中斷模式（）快速中斷模式（FIQFIQ） 簡稱簡稱 FiqFiq，當一個，當一個高優(yōu)先級高優(yōu)先級（fastfast）中斷產生時將會進入這種模式，一般用于中斷產生時將會進入這種模式，一般用于高速數(shù)據傳輸和通道處理高速數(shù)據傳輸和通道處理；共35頁14（3 3）外部中斷模式（）外部中斷模式（IRQIRQ） 簡稱簡稱

13、IrqIrq，當一個，當一個低優(yōu)先級低優(yōu)先級（normalnormal）中斷產生時將會進入這種模式，一般用于中斷產生時將會進入這種模式，一般用于通常的中斷處理通常的中斷處理；（4 4）特權模式（）特權模式（SupervisorSupervisor） 簡稱簡稱 SvcSvc，當，當 復位復位 或或 軟中斷指令軟中斷指令 執(zhí)行時進入這種模式，是一種供執(zhí)行時進入這種模式，是一種供 操作系操作系統(tǒng)統(tǒng) 使用的保護模式；使用的保護模式；共35頁15（5 5）數(shù)據訪問終止模式（）數(shù)據訪問終止模式（AbortAbort） 簡稱簡稱 AbtAbt，當存取異常時將會進入這，當存取異常時將會進入這種模式，用于種模式

14、，用于 虛擬存儲虛擬存儲 或或 存儲保護存儲保護；（6 6）未定義指令中止模式（）未定義指令中止模式（UndefUndef） 簡稱簡稱 UndUnd，當執(zhí)行未定義指令時進入，當執(zhí)行未定義指令時進入這種模式，有時用于通過這種模式，有時用于通過 軟件仿真協(xié)處軟件仿真協(xié)處理器硬件理器硬件 的工作方式；的工作方式；共35頁16（7 7）系統(tǒng)模式（）系統(tǒng)模式（SystemSystem） 簡稱簡稱 SysSys，使用和，使用和 User User 模式相同寄模式相同寄存器集的模式，用于運行特權級操作系統(tǒng)存器集的模式，用于運行特權級操作系統(tǒng)任務；任務；（8 8）監(jiān)控模式（）監(jiān)控模式（MonitorMonit

15、or） 簡稱簡稱 MonMon，可以在安全模式與非安全，可以在安全模式與非安全模式之間進行轉換。模式之間進行轉換。共35頁17 除除 用戶模式用戶模式 外的其它外的其它 7 7種種 處理器處理器模式稱為模式稱為 特權模式特權模式（Privileged Privileged ModesModes）。在特權模式下，程序可以訪問）。在特權模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源所有的系統(tǒng)資源，也可以任意的進行處理，也可以任意的進行處理器模式器模式切換切換。其中以下。其中以下 6 6種種 模式稱為模式稱為 異異常模式常模式：（1 1）快速中斷模式（）快速中斷模式（FIQFIQ）（2 2）外部中斷模式（）外部

16、中斷模式（IRQIRQ）（3 3）特權模式（）特權模式（SuperviorSupervior）共35頁18（4 4）數(shù)據訪問中止模式（）數(shù)據訪問中止模式（AbortAbort）（5 5）未定義指令中止模式（）未定義指令中止模式（UndefUndef）（6 6）監(jiān)控模式（）監(jiān)控模式（MonitorMonitor） 處理器模式可以通過軟件控制進行處理器模式可以通過軟件控制進行切換，也可以通過外部中斷或異常處理切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進行切換。過程進行切換。共35頁19 大多數(shù)的大多數(shù)的 用戶程序用戶程序 運行在運行在 用戶模用戶模式式 下。當處理器工作在用戶模式時，應下。當處理器工作

17、在用戶模式時，應用程序用程序 不能夠訪問不能夠訪問 受操作系統(tǒng)保護的受操作系統(tǒng)保護的一些系統(tǒng)資源，應用程序也一些系統(tǒng)資源，應用程序也 不能直接不能直接 進行處理器模式切換。進行處理器模式切換。 當需要進行處理器模式當需要進行處理器模式 切換切換 時，應時，應用程序可以產生用程序可以產生 異常處理異常處理，在異常處理，在異常處理過程中進行處理器模式切換。過程中進行處理器模式切換。這種體系這種體系結構可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)資源結構可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)資源的使用。的使用。共35頁20 當應用程序發(fā)生當應用程序發(fā)生 異常中斷時異常中斷時，處理，處理器進入相應的異常模式。在器進入相應的異常模式

18、。在 每一種異常每一種異常模式模式 中都有中都有 一組專用寄存器一組專用寄存器 以供相應以供相應的異常處理程序使用，這樣就可以保證的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進入異常模式時用戶模式下的寄存器在進入異常模式時用戶模式下的寄存器（保存程序運行狀態(tài)）（保存程序運行狀態(tài)）不被破壞不被破壞。共35頁216.4 6.4 Cortex-A8Cortex-A8 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) ARM ARM 存儲系統(tǒng)有非常靈活的體系結存儲系統(tǒng)有非常靈活的體系結構，可以適應不同的嵌入式應用系統(tǒng)的構，可以適應不同的嵌入式應用系統(tǒng)的需要。需要。ARM ARM 存儲器系統(tǒng)可以使用簡單的存儲器系統(tǒng)可以使用簡單的平板式地址映射

19、機制平板式地址映射機制（就像一些簡單的（就像一些簡單的單片機一樣，單片機一樣，地址空間的分配方式是固地址空間的分配方式是固定的，系統(tǒng)中各部分都使用物理地址定的，系統(tǒng)中各部分都使用物理地址），），也可以使用其他技術提供功能更為強大也可以使用其他技術提供功能更為強大的存儲系統(tǒng)。的存儲系統(tǒng)。共35頁22 這些強大的技術有：這些強大的技術有：（1 1）系統(tǒng)可能提供多種類型的存儲器件，）系統(tǒng)可能提供多種類型的存儲器件，如：如：FlashFlash、ROMROM、SRAMSRAM；（2 2）CacheCache技術；技術；（3 3）寫緩存技術（）寫緩存技術（Write BuffersWrite Buffe

20、rs）；）；（4 4）虛擬內存和）虛擬內存和I/OI/O地址映射技術。地址映射技術。共35頁23（1 1）使用）使用CacheCache，縮小處理器和存儲系統(tǒng)，縮小處理器和存儲系統(tǒng)速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能；速度差別，從而提高系統(tǒng)的整體性能；（2 2）使用內存映射技術實現(xiàn)虛擬空間到）使用內存映射技術實現(xiàn)虛擬空間到物理空間的映射。物理空間的映射。RomRom、FlashFlash與與 SDRAMSDRAM 速度問題；速度問題；（3 3）引入存儲保護機制，增強系統(tǒng)的安）引入存儲保護機制，增強系統(tǒng)的安全性；全性； 大多數(shù)的系統(tǒng)通過下面的大多數(shù)的系統(tǒng)通過下面的方法之一方法之一可可實現(xiàn)對實現(xiàn)對復雜

21、存儲系統(tǒng)復雜存儲系統(tǒng)的管理。的管理。共35頁24（4 4）引入一些機制保證將）引入一些機制保證將 I/O I/O 操作映射操作映射成內存操作后，各種成內存操作后，各種 I/O I/O 操作能夠得到操作能夠得到正確的結果。正確的結果。 在在 ARMARM 系統(tǒng)中，要實現(xiàn)對存儲系統(tǒng)系統(tǒng)中，要實現(xiàn)對存儲系統(tǒng)的管理通常使用的管理通常使用 協(xié)處理器協(xié)處理器CP15CP15，它通常，它通常也被稱也被稱 為系統(tǒng)控制協(xié)處理器（為系統(tǒng)控制協(xié)處理器（System System Control CoprocessorControl Coprocessor）。共35頁25 ARM ARM 的存儲器系統(tǒng)是由多級構成的，

22、的存儲器系統(tǒng)是由多級構成的，可以分為可以分為內核級內核級、芯片級、芯片級、板卡級板卡級、外設外設級級，如下圖所示：，如下圖所示：緊耦合內存緊耦合內存(TCM: Tightly (TCM: Tightly Coupled Memories)Coupled Memories)。 共35頁266.4.1 6.4.1 協(xié)處理器（協(xié)處理器（CP15CP15） ARM ARM 處理器支持處理器支持 16 16 個協(xié)處理器。在個協(xié)處理器。在程序執(zhí)行過程中，每個協(xié)處理器忽略屬于程序執(zhí)行過程中，每個協(xié)處理器忽略屬于ARMARM處理器和其它協(xié)處理器的指令。處理器和其它協(xié)處理器的指令。 當一個協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬

23、于它當一個協(xié)處理器硬件不能執(zhí)行屬于它的協(xié)處理器指令時，將產生一個未定義指的協(xié)處理器指令時，將產生一個未定義指令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，令異常中斷，在該異常中斷處理程序中，可以通過軟件模擬該硬件的操作。可以通過軟件模擬該硬件的操作。共35頁27 除了除了CP15CP15外，在具體的各種存儲管理外，在具體的各種存儲管理機制中可能還會用到其它一些技術，如在機制中可能還會用到其它一些技術，如在MMUMMU中除了中除了CP15CP15外，還使用了頁表技術等。外，還使用了頁表技術等。 在一些沒有標準存儲管理的系統(tǒng)中，在一些沒有標準存儲管理的系統(tǒng)中，CP15CP15是不存在的。在這種情況下，針對是

24、不存在的。在這種情況下，針對CP15CP15的操作指令將被視為未定義指令，指的操作指令將被視為未定義指令，指令的執(zhí)行結果不可預知。令的執(zhí)行結果不可預知。 CP15CP15 包含包含 1616 個個 3232 位寄存器，其位寄存器，其編號為編號為 015015。共35頁28 實際上對于某些編號的寄存器可能對實際上對于某些編號的寄存器可能對應應 多個多個 物理寄存器，在指令中指定特定物理寄存器，在指令中指定特定的的 標志位標志位 來區(qū)分這些物理寄存器。來區(qū)分這些物理寄存器。 CP15CP15 中的寄存器可能是只讀的，也中的寄存器可能是只讀的，也可能是只寫的，還有一些是可讀寫的。在可能是只寫的，還有

25、一些是可讀寫的。在對協(xié)處理器寄存器進行操作時，需要注意對協(xié)處理器寄存器進行操作時，需要注意以下幾個問題：以下幾個問題：（1 1）寄存器的訪問類型（只讀）寄存器的訪問類型（只讀/ /只寫只寫/ /可可讀可寫）；讀可寫）；共35頁29（2 2）不同的訪問引發(fā)不同的功能；）不同的訪問引發(fā)不同的功能；（3 3）相同編號的寄存器是否對應不同的）相同編號的寄存器是否對應不同的物理寄存器；物理寄存器；（4 4）寄存器的具體作用。）寄存器的具體作用。共35頁306.4.2 6.4.2 存儲管理單元（存儲管理單元（MMUMMU） 在創(chuàng)建多任務嵌入式系統(tǒng)時，最好在創(chuàng)建多任務嵌入式系統(tǒng)時，最好用一個簡單的方式來編寫

26、、裝載及運行用一個簡單的方式來編寫、裝載及運行各自獨立的任務。各自獨立的任務。 目前目前 大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng) 不再使用不再使用自己定制的控制系統(tǒng)，而是使用操作系自己定制的控制系統(tǒng)，而是使用操作系統(tǒng)來簡化這個過程。統(tǒng)來簡化這個過程。較高級的操作系統(tǒng)較高級的操作系統(tǒng) 采用采用 基于硬件的存儲管理單元（基于硬件的存儲管理單元（MMU）來實現(xiàn)上述操作。來實現(xiàn)上述操作。共35頁31 MMU MMU 提供的一個關鍵服務是使各個任提供的一個關鍵服務是使各個任務作為獨立的程序在自己的私有存儲空間務作為獨立的程序在自己的私有存儲空間中運行。在帶中運行。在帶 MMUMMU 的操作系統(tǒng)控制下，的操作系統(tǒng)控制下，運行的任務無需知道其他與之無關的任務運行的任務無需知道其他與之無關的任務的存儲需求情況，這樣就簡化了各個任務的存儲需求情況，這樣就簡化了各個任務的設計。的設計