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基于 ARM 核的 Intel XScale 嵌入式系统

基于 ARM 核的 Intel XScale 嵌入式系统
作者: 杨波

摘要:简要介绍 Intel XScale 的特点以及与 Intel StrongARM 的区别;重点介绍 PXA250 处理器和 PCM-7210 单板计算机的结构、功能和接口特性。 关键词:XScale ARM 核 PXA250 PCM-7210 1 简 介 Intel XScale 微体系结构提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于 ARMv5TE 体系 结构的解决方案,支持 16 位 Thumb 指令和 DSP 扩充。基于 XScale 技术开发的微处理器,可 、网络存储设备、骨干网(BackBone)路由器等。Intel PXA250 用于手机、便携式终端(PDA) 微处理器芯片就是一款集成了 32 位 Intel XScale 处理器核、多通信信道、LCD 控制器、增 强型存储控制器和 PCMCIA/CF 控制器以及通用 I/O 口的高度集成的应用处理器。 Intel XScale 处理器的处理速度是 Intel StrongARM 处理速度的两倍,其内部结构也 有了相应的变化: ◇数据 Cache 的容量从 8KB 增加到 32KB; ◇指令 Cache 的容量从 16KB 增加到 32KB; ◇微小数据 Cache 的容量从 512B 增加到 2KB; ◇为了提高指令的执行速度,超级流水线结构由 5 级增至 7 级; ◇新增乘/加法器 MAC 和特定的 DSP 型协处理器 CP0,以提高对多媒体技术的支持; ◇动态电源管理,使 XScale 处理器的时钟可达 1GHz、功耗 1.6W,并能达到 1200MIPS。 XScale 微处理器架构经过专门设计,核心采用了英特尔先进的 0.18μm 工艺技术制造;具 备低功耗特性,适用范围从 0.1mW~1.6W。同时,它的时钟工作频率将接近 1GHz。 XScale 与 StrongARM 相比,可大幅降低工作电压并且获得更高的性能。具体来讲,在目前的 StrongARM 中,在 1.55V 下可以获得 133MHz 的工作频率,在 2.0V 下可以获得 206MHz 的工 作频率;而采用 XScale 后,在 0.75V 时工作频率达到 150MHz,在 1.0V 时工作频率可以达 到 400MHz, 1.65V 下工作频率则可高达 800MHz。 在 超低功率与高性能的组合使 Intel XScale 适用于广泛的互联网接入设备, 在因特网的各个环节中, 从手持互联网设备到互联网基础设 施产品,Intel XScale 都表现出了令人满意的处理性能。

2 PXA250 的结构及特点 Intel XScale PXA250 结构框图如图 1 所示。

2.1 PXA250 处理器的主要特点 (1)高性能 ◇低功耗,高性能的 32 位 Intel XScale 处理器内核,工作频率高达 400MHz; ◇兼容 ARMv5TE 架构; ◇采用 7 级超级流水线结构; ◇支持多媒体处理技术, 采用 40 位累加器和 16 位乘法器,以增强对音频和视频的解码能力; ◇提供支持同步 Intel StrataFlash 存储器的高性能分帧和分页模式接口。 (2)低功耗

◇多电源管理模式; ◇32KB 数据和 32KB 指令 Cache; ◇2KB 的微小数据 Cache; ◇支持 2.5V 和 3.3V 的存储器。 (3)I/O 扩展 ◇100MHz 存储器总线,6 个静态存储空间(16 或 32 位 ROM(SMROM)/Flash/SRAM) 个动 ,4 态存储分区(16 或 32 位 SDRAM) ; ◇支持 2 个 PCMCIA 或 Compact Flash 槽。 (4)外围控制模块 ◇16 通道可配置 DMA 控制器; ◇LCD 控制器,独有的支持对快变彩屏的 DMA 方式; ◇920kbps Bluetooth 接口; ◇串行端口(IrDA、I2C、I2S、AC97、3 个 UARTs、SPI 和 SSP) ; ◇USB 接口; ◇支持 MMC/SD 卡。 (5)时钟控制 五种时钟源: ◇32.768kHz 振荡器; ◇3.6864MHz 振荡器; ◇可编程的内核锁相环; ◇95.85MHz 外围固定频率锁相环; ◇147.46MHz 固定频率锁相环。 (6)电源管理 运行模式(正常处理模式) 、Turbo 模式(运行于 400MHZ) 、空闲模式(下电) 、睡眠模式(下 电) 。 (7)封装形式 17mm×17 mm 256 脚 PBGA 封装。 2.2 Intel XScale 内核

Intel XScale CPU 内核采用带有一个增强型存储器管道的超级流水线 RISC 处理器架构 的体系结构。这款新型高性能、低功耗的微构架兼容 ARMv5TE ISA 指令集(不支持浮点指令 集) 。这种微构架在 ARM 核的周围提供了指令与数据存储器管理单元,指令、数据和微小数 据 Cache, 写缓冲、 全缓冲、 挂起缓冲和分支目标缓冲器, 电源管理, 性能监控、 调试和 JTAG 单元以及协处理器接口,MAC 协处理器和内核存储总线。 超级流水线结构是由整型管道、 存储器管道和 MAC 管道构成。 整型管道包括 7 级流水线 结构,取指令 1(分支目标缓冲器)→取指令 2→译码→寄存/移位→ALU 实现→状态执行→ 回复; 存储器管道除包括整型管道的前 5 级外, 后接 3 个高速缓存, 数据 Cache1、 数据 Cache2 和数据回复 Cache,共 8 级流水线结构;MAC 管道是 6~9 级的流水线结构,包括整型管道的 前 4 级和 4 级 MAC 段,以及一个数据回复 Cache,其中 MAC2-4 的选通由数据决定。流水线 结构级数越多越能提高指令的执行速度, 使用分支目标缓冲器的目的在于成功的预知分支指 令的 结果。128 个入口的分支目标缓冲器的每个入口都包含了分支指令的地址、与分支指 令相联系的目标地址以及该分支的执行情况,它由协处理器 15 使能。分支目标缓冲器的使 用旨在避免超级流水线结构中的分支延迟。 PXA250 CPU 的 MM (IMMU 和 DMMU) 均提供了一个 32 项的转换旁路缓存器 (ITLB 和 DTLB) , 它们的每一项均可映射存储器中的段、大页和小页。为了保证内核周期的存取指令和数据, PXA250 包含了 1 个 32KB 的指令 Cache 和 1 个 32KB 的数据 Cache。 另外, 为了避免数据 Cache 内数据流存取的频繁变化,还提供了 1 个 2KB 的微小数据 Cache。指令和数据 Cache 都是具 有 32 个入口和 32 路相联的 Cache,每路均包含 1 个标志地址,32 字节的高速缓存队列和 1 个有效位,采用循环方式进行刷新存储。微小数据 Cache 是 1 个具有 32 个入口和 2 路相联 的 Cache,同样采用循环方式进行刷新存储。 PXA250 内核还提供了 4 个入口的全缓冲和挂起缓冲, 用于提升内核性能, 与数据 Cache 和微小数据 Cache 协同工作。此外,1 个 8 入口的写缓冲,每个入口可保存 16 字节,它从 内核、数据 Cache 或微小数据 Cache 中得到数据,在系统总线选通前,暂存数据。 2.3 系统控制功能 PXA250 的系统控制模块提供了实时时钟、看门狗及间隔定时器、功率管理控制器、中 断控制器、 复位控制器和 2 个片上振荡器。 该系统定时器支持源自 SA-11x0 处理器的定时器 单元,OS 定时器使用 3.6864MHz 振荡器,包含了 4 个定时匹配寄存器(OSMR) 个定时状 、1

态寄存器(OSSR)和 1 个定时中断使能寄存器(OIER) 。看门狗定时中断可以通过激活 OS 定时看门狗使能寄存器(OWER)来实现。 中断控制器处理的所有中断源,有两个中断类型:中断请求(IRQ)和快速中断请求(FIQ) 。 中断控制器可以根据掩码寄存器的值, 允许 CPU 被中断或保持预中断。 中断控制器中的每一 个寄存器都是 1 比特映射,并且每一比特均被预先分配给不同的中断源。 2.4 时钟和电源管理 为了达到处理性能和能量消耗之间比例的最优化, 用时钟和电源管理器来控制不同模块 的时钟频率并处理不同能量管理操作模式之间的转化。 时钟和电源管理器为每一个外设提供 了固定的时钟,并且为 LCD 控制器、存储器控制器和 CPU 提供了可编程的频率时钟,这些时 钟均来自内部锁相环时钟源。时钟管理器还可通过关闭不用设备的时钟来减少功率损耗。 电源管理提供了四种工作模式:Turbo 模式、运行模式、空闲模式和睡眠模式。Turbo 模式下,CPU 核运行在峰值频率,为避免内核对外部存储器的等待时间,在该模式下,很少 对外部存储器进行存取;运行模式下,CPU 核运行于正常标准频率,可以假定内核不断地对 外部存储器进行存取, 运行速率的减慢对于性能与功耗的最佳平衡是有利的; 在空闲模式下, 暂停到 CPU 的时钟,但是使能到外围器件的时钟;睡眠模式下,整个系统将处于最低功耗状 态,要唤醒睡眠状态必须重新启动系统。 块 PXA250 处理器的外部存储器总线接口支持同步动态存储器(SDRAM) 、同步和异步分页 模式段、页模式闪存、同步掩码只读存储器(SMROM) 、页模式 ROM、SRAM、静态段支持可变 等待时间的 I/O 设备(VLIO) 、16 位的 PC 卡扩展存储器和 Compact Flash。存储器的类型可 通过存储器接口配置寄存器决定。 2.6 外围控制模块 PXA250 处理器定义了 16 个通道的 DMA 控制器。它可响应内部和外部设备的请求,完成 数据从主存储器中读出与写入。DMAC 用于外围设备与存储系统之间的数据传输。 LCD 控制器提供了支持双扫描无源阵列彩显(DSTN,俗称伪彩)或有源阵列彩显(TFT, 俗称真彩)屏的接口,并支持单色和多色素格式。它拥有自己独立的双通道 DMA 控制器,两 路通道分别用于单面板和双面板显示。最大支持显示分辨率为 1024×1024 像素,推荐最高 分辨率为 800×600 像素。在无源单色模式下,最高支持 256 级灰度。对于彩色显示,不管 2.5 存储器和 PCMCIA/Compact Flash 控制模

有源还是无源模式,最高均支持 65536 种颜色。LCD 控制器将帧缓存中的像素编码值,对应 于 16 位宽的 256 个入口的调色板 RAM,根据数据宽度决定彩色的数量。 PXA250 处理器支持的串口包括:基于通用串行总线 1.1 版本的 USB 客户服务模块接口, 它最高支持 16 个端点外挂, 并提供了 1 个 48MHz 的内部时钟; 个通用异步收发口 3 (UART) , 最高速率 230Kbps 的全功能 UART(完备的握手信号) ,最高速率 921Kbps 蓝牙 UART 和标准 UART; 高速红外通信口 (FICP) 半双工, 速率 4Mbps, 执行 4PPM 标准;AC97 控制器支持 AC97 2.0 修订版本的多媒体数字信号编解码器,AC97 控制器对于立体 PCM 输入输出,Modem 输入 输出和单一的麦克风输入都提供了单独的 16 位通道;I2S 控制器为数字立体声标准 I2S 多 媒体数字信号编解码器提供了串行连接,复用 AC97 控制器引脚;I2C 总线接口提供了 2 个 引脚的通用串行通信端口,2 个引脚分别用于数据地址和时钟;另外,提供了 2 个支持 MMC 或 SPI 协议,高达 20Mbps 串行数据传输的 MMC 卡接口和一个 SSP 接口。SSP 逻辑接口支持 National Microwire 协议、Texas Instruments 协议、同步串行协议(SSP)和 Motorola SPI 协议, 所有这些协议都用于 A/D 转换、 音频和电信多媒体数字信号编解码器和其它满足串行 数据传输协议的设备。

3 研华最新推出的 XScale 单板计算机 PCM-7210 PCM-7210 是一款集成 Intel XScale 低功耗 RISC 处理器 PXA250 的单板计算机。它由一 块支撑板和一块 CPU 板构成,在 CPU 板上集成了处理器 PXA250、64MB 的 SDRAM 和 32MB 的

Flash 存储器,其它的外围器件均置于支撑板之上,包括 10Mbps 以太网接口,4 个全功能 RS-232 和 1 个 RS-485 串行接口,AC97 音频接口,2 个 USB 主机端和 1 个客户端,数字 I/O 引脚和 CF/PCMCIA 扩展插槽。此外,还有支持 LCD/CRT 显示的接口以及智能电源接口。 PCM-7210 功能框图如图 2 所示。


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