工學(xué)PCA課件 第二章 Intel PCA開發(fā)系統(tǒng)

第二章IntelPCA開發(fā)系統(tǒng)

XScale

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性基于XScale的PXA255開發(fā)系統(tǒng)

2.1、XScale

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.1采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實(shí)現(xiàn)并行處理；

具有一條獨(dú)立的地址總線和一條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個(gè)存儲模塊（程序存儲模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸；

兩條總線由程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分時(shí)共用。2.1.2采用7級超級流水線PXA255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。五級流水線流水線技術(shù)流水線技術(shù)流水線是指在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。統(tǒng)水線要求所有的流水級部件必須在相同的時(shí)間內(nèi)完成各自的子過程，在流水線中指令流動一步是一個(gè)機(jī)器周期。機(jī)器周期的長度必須由最慢的流水級部件處理子過程所需的時(shí)間決定。指令流水線是將指令執(zhí)行分成幾個(gè)子過程，每一個(gè)子過程對應(yīng)一個(gè)工位，我們稱為流水級或流水節(jié)拍。指令流水執(zhí)行特點(diǎn)：1、一條指令分成幾個(gè)子過程，每個(gè)子過程為一個(gè)流水級。2、每個(gè)子過程由專門的硬件功能部件來完成。3、每個(gè)流水功能部件的工作時(shí)間是不相同的，流水節(jié)拍時(shí)間由最長的流水功能部件處理時(shí)間決定。4、流水線工作一般有三個(gè)階段，即建立、穩(wěn)態(tài)和排空階段。5、理想情況下，在流水線處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，每一流水節(jié)拍時(shí)間都得到一條指令執(zhí)行的結(jié)果，流水加速比就等于流水線的級數(shù)，即流水深度。

F1/F2指令讀取

ID指令譯碼

RF寄存器文件/移位級

X1執(zhí)行級

X2執(zhí)行級

XWB寫回級PXA255主流水線MAC流水線執(zhí)行所有的乘/累加指令，它執(zhí)行40位累加寄存器acc0同時(shí)也能將指令值轉(zhuǎn)化成普通的ARM寄存器值。MAC不是真正的一條流水線，指令的類型和資源均定它所需的周期數(shù)。不會同時(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)候其它指令不允許進(jìn)出到M1中，除非原來的指令在下一個(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)周期后完成并返回寄存器文件。內(nèi)存訪問流水線內(nèi)存流水線有D1、D2和DWB3級構(gòu)成，獨(dú)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(jì)算有效的存/取地址。在D2級數(shù)據(jù)Cache和小型數(shù)據(jù)cache返回目的數(shù)據(jù)，在DWB級進(jìn)行填入緩沖器和寫入緩沖器操作。2.1.3XScale

乘/累加MAC

MAC只需一個(gè)周期即完成乘/累加操作；MAC由32位乘法和一個(gè)CSA（CarrySaveAdder）華萊士加法樹（WT結(jié)構(gòu)）構(gòu)成，最后產(chǎn)生40位累加器CSA(CarrySaveAdder)將本級進(jìn)位傳至下級,求和速度快,且速度與字長無關(guān)。在陣列乘法器中,CSA把PP陣列（被乘數(shù)與乘數(shù)中的某一位相乘,產(chǎn)生一組PP）縮減至Sum和Carry兩項(xiàng),再用高速加法器求和得積。CSA加法器構(gòu)成的乘法器(a)普通串行結(jié)構(gòu)；(b)華萊士壓縮樹2.1.4內(nèi)存管理（MMU）

提供內(nèi)存訪問保護(hù)和虛擬地址到物理地址的映射支持指令TLB和數(shù)據(jù)TLBTLB--TranslationLookasideBuffers,地址變換后備緩沖器）使用CP15協(xié)處理器來完成MMU一般從虛擬地址到物理地址需2次主存，為減少主存接入代價(jià)，就在虛擬地址和物理地址之間插入一個(gè)TLB。

一般每個(gè)存儲器有一個(gè)TLB，所以Xscale中有DTLB和ITLB。

為了減少TLB的開銷，TLB中只存放最近使用過的頁表項(xiàng)，其淘汰替代算法采用循環(huán)法。

TLB增加了相應(yīng)的鎖操作。TLB--地址變換后備緩沖器2.1.5

Cache結(jié)構(gòu)

XScale

的Cache有32KBICache和

DCache、2KB微小型ICache和DCache有128入口的直接映像Cache結(jié)構(gòu)的分支目標(biāo)緩沖器BTBXscale支持寫回和寫直通操作。寫回：命中Cache的存儲操作不產(chǎn)生一個(gè)到外部存儲器的寫操作。它緩解了外部存儲器壓力。寫直通：所有的存儲操作都要寫到外部存儲器，它保持了外部存儲器和Cache的一致性分支目標(biāo)緩沖器（BTB）

2.1.6Xscale性能檢測(使用CP14協(xié)處理器)XScale的性能監(jiān)測模塊可以通過CP14的寄存器0~3進(jìn)行控制

2個(gè)32位性能計(jì)數(shù)器，它可以分別對2個(gè)獨(dú)立的事件同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)；1個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，記錄內(nèi)核時(shí)鐘數(shù)，用來表示時(shí)間延遲。

2.1.7Xscale調(diào)試Xscale的JTAG調(diào)試方式

接收/發(fā)送控制寄存器（TXRXCTRL）

RR位,為1時(shí)RX準(zhǔn)備好,為0時(shí)無數(shù)據(jù)或不可用。OV位,為1時(shí)RX溢出,為0時(shí)無溢出。D位，該位為高速下載標(biāo)志位。TR位,為1時(shí)TX準(zhǔn)備好,為0時(shí)無數(shù)據(jù)或不可用。通用RX應(yīng)答協(xié)議

XScale

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性基于XScale的PXA255開發(fā)系統(tǒng)

IntelPXA255結(jié)構(gòu)PXA255結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)鐘和電源控制器存儲器控制器：支持100MHzSDRAMDMA控制器：具有16個(gè)優(yōu)先級通道

LCD控制器：支持被動和主動LCD顯示系統(tǒng)集成模塊：包括GPIO、中斷控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、PWM。支持各種接口：I2S,I2C,2路UART,IrDa,USBClient,MMC,NSSP等2.2.1、時(shí)鐘管理2.2.2電源管理TurboMode:在短時(shí)間內(nèi)高速運(yùn)行.快速方式的加速倍率有CCCR寄存器N值決定.RunMode:正常工作方式.IdleMode:停止CPU內(nèi)核時(shí)鐘，但仍繼續(xù)監(jiān)視片內(nèi)外中斷服務(wù)請求當(dāng)發(fā)生允許中斷時(shí)可喚醒CPU，重新啟動CPU時(shí)鐘.SleepMode:CPU內(nèi)核無電源，僅RTC核電源管理器繼續(xù)工作。SDRAM置為自我刷新方式。功耗最低2.2.3、DMA控制器

共有16各通道，每個(gè)通道有4各32位寄存器控制外設(shè)與存儲器及存儲器與存儲器之間的傳送提供了兩種操作模式：

非描述子接入方式：主要用于輪詢模式描述子接入方式：主要用于中斷模式（更有效）

16個(gè)信道被分為四組，其優(yōu)先級各不相同每個(gè)外設(shè)都有一個(gè)或多個(gè)專用DMA請求線2.2.4、存儲器控制器

SDRAM最大100MHz存儲器總線接口可與DRAM、SDRAM、ROM、SMROM、SRAM以及其它潛在的I/O器件共享數(shù)據(jù)信號

SDRAM支持4個(gè)塊，每塊最大可為64MB。4個(gè)塊又可分兩對，每對中兩個(gè)塊大小和管理必須一樣，不同對可以不一樣。

靜態(tài)存儲器接口和潛在的可變速率I/O接口支持6個(gè)片選（CS[5..0]）,每個(gè)片選可獨(dú)立管理.

支持16位PC卡/CompactFlash接口2.2.5、LCD控制器最大支持1024×1024，16bits顏色的LCD

Sitsang開發(fā)板使用的LCD是640×480

支持被動（DSTN）和主動（TFT）顯示模式

DSTN：掃描屏幕被分為上下兩部分，CPU同時(shí)并行對這兩部分進(jìn)行刷新（雙掃描），DSTN顯示屏上每個(gè)像素點(diǎn)的亮度和對比度因不能獨(dú)立控制，顯示效果不佳。每個(gè)像素點(diǎn)不能自身發(fā)光，是無源像點(diǎn)。

TFT：每個(gè)液晶像素點(diǎn)是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，是有源像素點(diǎn)。InterruptcontrollerGPIORealtimeclockOStimerPWM2.2.6、系統(tǒng)集成單元Interruptcontroller提供22個(gè)中斷源，各中斷可設(shè)置為IRQ或FIQ，F(xiàn)IQ優(yōu)先級高于IRQ

中斷控制器分兩級：第一級包含中斷屏蔽寄存器(ICMR)和中斷狀態(tài)寄存器(ICPR)。第二級為該中斷的源器件的寄存器。通常情況下多個(gè)二級中斷可通過或操作產(chǎn)生一個(gè)一級中斷。

GPIOGPIO可產(chǎn)生和捕捉輸入和輸出信號；很多GPIO有第二功能，可通過GAFR設(shè)置；GPDR：設(shè)置GPIO腳的輸出還是輸入寫GPIO（設(shè)置為輸出腳）：GPSR(H),GPCR(L)讀GPIO（設(shè)置為輸入腳）：

GPER和GFER用于設(shè)置上升/下降沿檢測；

GEDR用于讀出GPIO跳變類型。實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）

RTC可設(shè)置產(chǎn)生1Hz輸出的周期性信號?？捎蒖TC在預(yù)定時(shí)間產(chǎn)生中斷或喚醒事件。操作系統(tǒng)定時(shí)器

時(shí)鐘由3.6864MHz振蕩器產(chǎn)生；OS計(jì)數(shù)寄存器OSCR，四個(gè)匹配寄存器OSMR[3:0]，狀態(tài)寄存器OSSR，中斷允許寄存器OIER

當(dāng)OSCR與任一個(gè)OSMR值相同且允許中斷時(shí)，將置位OSSR中的標(biāo)志位。

PWM（脈沖寬度調(diào)制）可產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的輸出信號PWM0,PWM1

可通過相應(yīng)的寄存器來控制每個(gè)輸出信號的周期及占空比

在Sitsang板上PWM0被用于控制LCD顯示的亮度。一般要求周期大于4ms，占空比在20％～100％之間。7、其它接口與卡有關(guān)的接口

MMC卡(多媒體存儲卡）

SD卡

CF卡串行接口

USB1.1UART（fullfunctionUART,BTUART,STDUART

）

IrDA（FIR）

SSP（增加了NetworkSSP功能）

I2CCF卡

CF卡采用閃存（flash）技術(shù)，CF卡使用3.3V到5V之間的任何電壓工作

CF卡使用的連接器與PCMCIA卡所用的連接器相似一般CF卡的用電量僅為磁盤驅(qū)動器（4.6cm和6.4cm）的5%

尺寸：43mmx36mx3.3mmSD卡

SecureDigitalMemoryCard

通過9針的接口界面與專門的驅(qū)動器相連接，不需要額外的電源來保持其上記憶的信息尺寸為32mmx24mmx2.1mmMMC可以被新的SD設(shè)備存取，兼容性則取決于應(yīng)用軟件，但SD卡卻不可以被MMC設(shè)備存取MMC卡

MultiMediaCard尺寸32mmx24mmx1.4mm接口只有7針MMC的操作電壓為2.7伏到3.6伏，寫/讀電流只有27mA和23mA，功耗很低USB1.1接口電氣特性

圖5-10USB的電纜高速信號的比特率為12Mbps，低速信號為1.5Mbp

時(shí)鐘信號被轉(zhuǎn)換成NRZI(NoneReturnZeroInvert，即無回零反向碼)碼

:遇0轉(zhuǎn)換點(diǎn)位，遇1不轉(zhuǎn)換總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5－8總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)I2C公用雙總線結(jié)構(gòu)

IrDA紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波采用4PPM調(diào)制解調(diào)(PulsePositionModulation)，即通過分析脈沖的相位來辨別所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息

采用半雙工方式傳送數(shù)據(jù)4PPM調(diào)制方式四個(gè)時(shí)隙（timeslot）稱為一個(gè)時(shí)片（chip）一個(gè)時(shí)片編碼兩個(gè)位元，每個(gè)時(shí)片500ns四個(gè)2-bitpairings，稱為nibbles位元組中先傳送最低兩個(gè)位元IrDA（4Mbps）串行幀格式引導(dǎo)標(biāo)志/起始標(biāo)志地址控制（可選）數(shù)據(jù)CRC-32停止標(biāo)志引導(dǎo)標(biāo)志：1000000010100000重復(fù)16次起始標(biāo)志：00001100000011000110000001100000停止標(biāo)志：00001100000011000000011000000110PXA270新增加的功能

Intel的SpeedStep技術(shù)：根據(jù)需要動態(tài)調(diào)節(jié)CPU的性能，這樣可以降低電力消耗增加無線MMX技術(shù)附加外圍設(shè)備，比如USB接口和攝像機(jī)接口內(nèi)部256KSRAM減少電耗和延遲內(nèi)部有64M的32位包內(nèi)StrataFlash閃存

XScale

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PXA255處理器結(jié)構(gòu)與特性基于XScale的PXA255開發(fā)系統(tǒng)

--sitsang開發(fā)板

64MbytesSDRAM32MbytesbootROM32Mbytesflashmemory一個(gè)compactflash插座觸摸屏控制器音頻辯解碼器ToshibaLTM04C380KLCD顯示一個(gè)USBclientport，兩個(gè)USBhostportsI2C總線通信LAN91C96*以太網(wǎng)控制器Sitsang開發(fā)板主要功能Pulsewidthmodulationcontrol一個(gè)高速紅外線傳送器多個(gè)串口一個(gè)為SD卡或MMC卡的插槽一個(gè)為用戶使用的擴(kuò)展槽Isolatableprocessorcorevoltageforprecisepowermeasurements用于應(yīng)用軟件調(diào)試使用的32個(gè)LEDs一個(gè)5-wayMini-Joystick和兩個(gè)軟按鈕重力加速度的傳感器電源系統(tǒng)MemorymapFlash64MBFlashmemory.2banksPressS2whenpowerontoswitchflashAccelerometerSensorMeasureaccelerationswithafull-scalerangeof±2g

Accelerations=(T1/T2–50%)/(12.5%)g

JTAGChainBLRs(板級寄存器)NameFunctionAccessAddressPCRPowercontrolregisterReadandwrite0x0800,0000BCRBoardcontrolregisterReadandwrite0x0800,0004BSRBoardstatusregisterReadonly0x0800,0008BIPRBoardinterruptpendingregisterReadandwrite0x0800,000CBIMRBoardinterruptmaskregisterReadandwrite0x0800,0010AXHRAccelerometerxdirectionlogichighcounterregisterReadonly,0x0800,0014AXLRReservedReadonly0x0800,0018AYHRAccelerometerYdirectionlogichighcounterregisterReadonly0x0800,001CJSSRHEXswitch,JoystickandsoftbuttonstatusregisterReadonly0x0800,0020LLEDRLow16-bitsLEDmatrixcontrolregisterReadandwrite0x0800,0024HLEDRHigh16-bitsLEDmatrixcontrolregisterReadandwrite0x0800,0028EX_BCRExpansioncardboardcontrolregisterReadandwrite0x0800,002CEX_BSRExpansioncardboardstatusregisterReadonly0x0800,0030EX_BIPRExpansioncardinterruptp