🗊Презентация Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов. Микропроцессоры ARM

Цифровые вычислительные устройства и микропроцессоры приборных комплексов Микропроцессоры ARM

1. Общие сведения о микропроцессорах ARM ARM Ltd. (название происходит от Advanced RISC Machines) — британская корпорация, являющаяся одним из крупнейших разработчиков и лицензедателей современной архитектуры 32-разрядных RISC-процессоров, специально ориентированных для использования в портативных, мобильных устройствах (таких, как мобильные телефоны, персональные органайзеры и т.п.). Технология ARM оказалась весьма успешной и в настоящее время является доминирующей микропроцессорной архитектурой для портативных цифровых устройств. В настоящее время наибольшее распространение получили три семейства микропроцессоров ARM: ARM7 (обычно с тактовой частотой около 50 МГц, предназначенные, например, для недорогих мобильных телефонов); ARM9 (с частотами порядка 200 МГц для «продвинутых» телефонов и карманных компьютеров); ARM11 (новейшее семейство с расширенными мультимедийными возможностями, тактовая частота до 1 ГГц).

ARM 7 Фирмой разработан целый ряд 32-разрядных RISC процессоров с различными возможностями и различной производительности, а её процессор ARM7, разработанный ещё в1994 году, используется до настоящего времени. Сама фирма определяет процессор ARM7 как универсальное, с малым потреблением, ядро 32-разрядного RISC микропроцессора, предназначенное для использования в различных заказных и специальных ИС. Малые размеры RISC ядра позволяют успешно интегрировать его в большие заказные схемы, которые могут содержать RAM, ROM, DSP, дополнительную логику и другие элементы.

Основные характеристики ядра ARM7 32-разрядный RISC процессор (32-разрядные шины данных и адреса) с производительностью 17 MIPS при тактовой частоте 25 МГц (пиковая производительность 25 MIPS) 32-разрядная адресация - линейное адресное пространство в 4 Гбайта - исключает потребность в сегментированной, разделенной на банки или оверлейной памяти Тридцать один 32-разрядный регистр общего назначения и шесть регистров состояния Регистры адресов, записи и конвейера Циклическое сдвиговое устройство и перемножитель Трехуровневый конвейер (выборка команды, ее декодирование и выполнение) Рабочие режимы Big Endian и Little Endian Напряжение питания 3,3 и 5 В Полностью статическая работа, позволяющая дополнительно снижать потребление за счет уменьшения тактовой частоты, что идеально для критичных к потреблению применений Быстрый отклик на прерывания применений реального масштаба времени Поддержка систем виртуальной памяти Простая, но мощная система команд

Блок-схема ядра ARM7

Типы команд 32-разрядная система команд ядра ARM7 содержит одиннадцать базовых типов команд: Два типа используют встроенное арифметико-логическое устройство, циклическое сдвиговое устройство и умножитель при операциях над данными в банке из 31 регистра, форматом по 32 разряда каждый; Три класса команд управления перемещением данных между памятью и регистрами, один оптимизированный на обеспечение гибкости адресации, другой под быстрое контекстное переключение и третий под подкачку данных; Три команды управляют потоком и уровнем привилегии выполнения; Три типа предназначены для управления внешними сопроцессорами, что позволяет расширить функциональные возможности системы команд за пределами ядра.

Микроконтроллеры семейства ARM7 Система команд ARM хорошо обрабатывается компиляторами языков высокого уровня. В отличие от некоторых RISC процессоров, процессор ARM7, при возникновении необходимости в некотором уменьшении объема кодов, допускает программирование и на ассемблере. Предоставляя, на лицензионной основе, ядро ARM7 своим кремниевым партнерам фирма ARM разработала микроконтроллеры ARM7100, ARM7500 и ARM7500FE. Микроконтроллер ARM7100 можно назвать микроконтроллером широкого применения, т.к. он ориентирован на использование в таких устройствах как: персональные информационные устройства (PDA), мобильные телефоны, карманные измерительные устройства и системы сбора данных. Два других микроконтроллера ARM7500 и ARM7500FE являются однокристальными микрокомпьютерами, ориентированными реализацию мультимедиа устройств, портативных и настольных компьютеров, карманных вычислительных и измерительных устройств. Общим для всех трех микропроцессоров является использование ядра ARM7, встроенного единого кэш команд и данных емкостью 8 Кбайт (ARM7100) и 4 Кбайт (ARM7500 и ARM7500FE), MMU, буфера записи, наличие режимов энергосбережения.

Микроконтроллеры семейства ARM7 (2) Эти два микроконтроллера отличаются друг от друга наличием в приборе ARM7500FE ускорителя операций с плавающей точкой (FPA) и, соответственно, его более высокой производительностью. Они также реализованы по модульному принципу и объединяют ядро ARM7 с самодостаточными макроячейками видео, звука, FPA (ARM7500FE) и стандартных библиотечных ячеек периферии. Рассмотрим в качестве примера микроконтроллер ARM7100.

Основные характеристики ARM7100 Производительность 18,4 MIPS при тактовой частоте 18,4 МГц и напряжении питания 3,3 В Потребление 66 мВт при напряжении питания 3,3 В Встроенный единый кэш команд и данных емкостью 8 Кбайт Интерфейс ROM и расширения (сегменты 8x256 Мбайт 8-, 16- и 32-разрядные) Контроллер DRAM с поддержкой быстрого страничного режима (8-, 16- и 32-разрядных) Адресуемое пространство в 3072 Мбайт Порты I/O (4x8 + 1x4) Телефонный CODEC интерфейс с FIFO на 16 байт Программируемый контроллер LCD (halfVGA - 640x240) с поддержкой DMA Полнодуплексный UART с двумя 16-разрядными FIFO и логикой протокола IrDA Синхронный последовательный интерфейс Два 16-разрядных таймера/счетчика и сторожевой таймер Часы реального времени с компаратором Два интерфейса с DC-DC преобразователями Корпус PQFP с 208 выводами

Проблема большого размера кода Как видно из выше перечисленного, на основе ядер ARM7 реализуются достаточно мощные и сложные приборы, по своей производительности приближающиеся к производительности рабочих станций недавнего прошлого, что обеспечивается высокопроизводительным RISC ядром и мощной 32-разрядной ARM системой команд. Необходимо отметить, что программы, подготовленные даже для довольно эффективной 32-разрядной ARM системы команд, требуют памяти значительного объема, что в свою очередь приводит к росту общей стоимости системы. Специалисты фирмы ARM предложили решение этой проблемы, разработав и внедрив технологию Thumb, позволяющую существенно сократить объем кодов, необходимых для реализации той же программы, что выполняется на 32-разрядной ARM системе команд. До настоящего времени эта технология считается лучшей из технологий, использующих сжатые системы команд.

Решение проблемы большого размера кода Существует несколько подходов, решающих проблему размера кода: Написание кода вручную на ассемблере. Для получения минимального размера кода программист может писать коды вручную - на ассемблере. Однако, этот процесс может занять непрактично большое время и в результате может быть получен код, который трудно поддерживать и всего лишь на 10-20% более компактный чем код, полученный при использовании хорошего компилятора. Корень проблемы, неэффективность кода, все еще не решается. Использование улучшенного компилятора. Технология компилирования может улучшить код, но опять таки меньшим размер кода будет при ручном кодировании на ассемблере. Использование компрессированного кода. Одним из вариантов может быть использование некоторой формы сжатого кода, который разворачивается во время выполнения. Однако, быстрая декомпрессия, которая не будет снижать производительность процессора при выполнении этого кода, достаточно сложна и требует использования дополнительных ресурсов системы.

Система команд Thumb. Краткое описание Технология Thumb - дополнительное расширение к архитектуре ARM. Система команд Thumb содержит 36 команд, производных от стандартной 32-разрядной системы команд ARM, перекодированных в 16-разрядные коды. Такой подход обеспечил очень высокую плотность кода, поскольку команды Thumb составляют половину ширины формата команд ARM. В процессе выполнения эти новые 16-разрядные Thumb коды декомпрессируются процессором в соответствующие эквивалентные команды ARM, которые затем и выполняются ядром ARM обычным способом.

Аспекты концепции Thumb (1) Технология Thumb - это не только смешанная система команд. Thumb-ориентированные ядра имеют две отдельных системы команд – уникальное достоинство, позволяющее разработчику использовать всю мощность 32-разрядной системы команд ARM при использовании преимуществ малого размера кода системы команд Thumb. Тот факт, что две системы команд являются совершенно отдельными, говорит о том, что средства декодирующей логики также чрезвычайно просты, что в свою очередь, сохраняет малым размер кристалла и сохраняет лучшее в отрасли соотношение производительность/потребление. Так как Thumb-ориентированные ядра способны выполнять и стандартную ARM систему команд и новые команды Thumb, разработчик, при переходе от подпрограммы к подпрограмме, может находить компромисс между размером кода и производительностью, подготавливая критичные к размеру подпрограммы в коде Thumb и критичные к производительности подпрограммы в кодах ARM. Thumb-ориентированные ядра типа ARM7TDMI имеют полную 32-разрядную архитектуру ARM, так что разработчик сохраняет 32-разрядную производительность RISC архитектуры. Комбинация двух систем команд, выполняющихся на 32-разрядном Thumb -ориентированном ядре, обеспечивает эффективное решение проблемы больших размеров кода и проблемы невысокой производительности 16-разрядных систем.

Аспекты концепции Thumb (2) Полученные к настоящему времени результаты показали улучшение плотности кода на 30%, по сравнению с кодом ARM, что позволяет считать Thumb -ориентированные процессоры лучшими по плотности кода в сравнении и с традиционными CISC процессорами.

Аспекты концепции Thumb (3) Кроме введения новых Thumb команд, фирма ARM добавила к системам команд и ARM и Thumb поддержку формата полуслов (16-разрядных данных). Следовательно архитектура ARM теперь полностью поддерживает 8, 16 и 32-разрядные данные. Были добавлены и для Thumb и ARM ядер операции со знаками для поддержки ими 8 и 16-разрядных операций с данными со знаками. Комплект средств разработки программного обеспечения ARM также был расширен, чтобы обеспечить поддержку разработки кодов Thumb. Комплект позволяет программисту писать и размещать в памяти системы коды ARM, коды Thumb или оба вместе.

Производительность Thumb-ориентированных ядер Фирма ARM считает, что Thumb-ориентированные ядра будут особенно успешно использоваться в применениях с относительно ограниченными возможностями, т.е. в тех, в которых сегодня используют 8-разрядные и 16-разрядные контроллеры и которым необходима большая производительность без дополнительных затрат.

Совместимость исходного текста Так как Thumb-ориентированные ядра – просто расширение архитектуры ARM, разработчик может компилировать коды Thumb, коды ARM или смесь обоих. Эта совместимость исходного текста между Thumb-ориентированными ядрами и ядрами ARM, обеспечивает беспроблемный путь к будущим обновлениям до 32-разрядных уже находящихся в эксплуатации систем, что делает Thumb-ориентированные ядра гарантированным вложением капитала в будущее. Кроме того, простота реализации технологии Thumb гарантирует, что перспективные ядра ARM с еще более высокой производительностью также будут располагать Thumb-ориентированными возможностями.

ARM7TDMI. Краткое описание Первым Thumb-ориентированным ядром стало ядро ARM7TDMI. Это ядро семейства ARM7 располагающее: Встроенной макроячейкой EmbeddedICE™, поддерживающей отладку встроенного ядра; 32-разрядным аппаратным умножителем; Декомпрессором Thumb; 32-разрядной производительностью в 8- и 16-разрядных управляющих применениях. Ядро ARM7TDMI пополнило стандартный ряд 32-разрядных ядер ARM, обеспечив возможность выхода на рынок встраиваемого управления, привнося 32-разрядную производительность в 8 и 16-разрядные применения управления. Первый Thumb-ориентированный прибор в кремнии был выпущен во второй половине 1995. Ядро ARM7TDMI используется как лицензионная макроячейка ASIC ARM, предназначенная использования при создании стандартных приборов специального назначения.

Декодирование и выполнение в одном цикле (1) И ARM7 и ARM7T ядра в одном тактовом цикле, используют 3-уровневый конвейер с фазами выборки, декодирования и выполнения. Поток команд через каждый уровень конвейера управляется высокими и низкими фазами тактового сигнала. В ядре ARM7TDMI неиспользуемая фаза тактового сигнала используется для декомпрессирования команд Thumb в каскаде декодирования. Следовательно, в одном тактовом цикле производится и декодирование и выполнение команды, не требуется никаких дополнительных непроизводительных затрат синхронизации.

Декодирование и выполнение в одном цикле (2) Команды ARM, поступающие из каскада выборки конвейера, проходят через декодер ARM и активируют сигналы управления старшими и младшими битами операционного кода. Старшие биты операционного кода описывают тип выполняемой команды, тогда как младшие биты определяют детали команды типа определения регистров или операнда.

Трансляция команд Thumb в команды ARM (1) В Thumb состоянии мультиплексоры направляют Thumb команды через логику декомпрессии Thumb, разворачивающую команду Thumb в ее эквивалент ARM команды . Затем команда ARM выполняется в нормальном режиме. Это легко понять на примере:

Трансляция команд Thumb в команды ARM (2) Как видно из рисунка, старший операционный код команды Thumb помещается в команду ARM, а младший транслируется через справочную таблицу. В команде ARM всегда присутствует код условия, определяемый старшим операционным кодом. Старший операционный код определяет маршрут операнда от операционного кода Thumb до операционного кода ARM. Определители регистров расширяются дополнительным нулем от операционного кода Thumb (3 бита) до 4 битов, поскольку эта команда Thumb обращается только к регистрам ARM R0-R7. Значение константы также расширяется нулями, определяя 8-разрядную константу в операционном коде ARM. Это изящное решение применимо на любом ядре ARM и будет использоваться в перспективных ARM архитектурах.

Система команд Thumb Для системы команд Thumb выбраны те команды ARM, которые, в среднем, не обеспечивают преимуществ полноформатных стандартных 32-разрядных операционных кодов ARM, или те, в отношении которых опыт показал, что они используются наиболее часто и, следовательно, являются наиболее важными, или те которые необходимы компилятору, для того чтобы обеспечить наилучшую возможную плотность кода. Процесс формирования команд Thumb заключался в сокращении полей всех наиболее часто используемых команд ARM до тех пор, пока они не стали 16-разрядными. Полученная в результате система команд затем обрабатывалась последовательностью итераций, обеспечивавшей наибольшее количество битов опкодам наиболее употребительных команд (например, вызовам подпрограмм, которые составляют 1/16 системы команд) и удаление битов из менее критических команд до тех пор, пока не было получено наилучшее соотношение производительность/плотность кода. Система команд была ориентирована и на перспективу, в операционных кодах оставлено пространство для новых команд, которые будут вводиться разработчиками программного обеспечения и которые должны будут поддерживаться новыми версиями компилятора.

При создании 16-разрядных операционных кодов, в систему команд Thumb были введены некоторые ограничения . Наиболее очевидные: уменьшенное число регистров, доступных при выполнении кода Thumb. Вместо пятнадцати 32-разрядных регистров общего назначения (GPR) плюс PC процессора ARM, программист имеет доступ к восьми GPR регистрам, указателю стека, регистру связей (Link Register) и PC. В системе команд Thumb, восемь GPR регистров (R0-R7) называются Lo набором регистров. Другие регистры ARM (R8-R15) обозначаются как Hi регистры. Программист в Thumb режиме ограничен доступом к Hi регистрам через команды перемещения, сравнения и команду ADD , предоставляющие ему некоторую локальную быструю временную среду хранения. Переключения между ARM и Thumb кодами не влияют на содержимое GPR регистров.

Интерфейс памяти ARM7TDMI При разработке интерфейса памяти разработчики ориентировались на обеспечение реализации потенциально возможной производительности без повышения стоимости самой памяти. Критичные к быстродействию сигналы управления также конвейеризованы с тем, чтобы реализовать функции управления системой памяти в стандартной логике с малым потреблением, и эти сигналы управления упрощают использование быстрых локальных режимов обращения, необходимых для стандартных динамических RAM. Кроме того, интерфейс памяти идеально подходит для организации взаимодействия как со встроенной на кристалл памятью, так и с внешней памятью, с блоками Flash памяти, что позволяет реализовать внутрисистемное программирование, защиту памяти, снизить время выхода на рынок, сократить общую стоимость системы.

Интерфейс памяти ARM7TDMI Интерфейс с памятью у процессора ARM7TDMI организуется следующими основными элементами: 32-разрядной шиной адреса, определяющей адрес ячейки памяти, которую необходимо использовать. 32-разрядной двунаправленной шиной передачи данных D[31:0], плюс двумя отдельными однонаправленными шинами данных DIN[31:0] и DOUT[31:0], через которые перемещаются команды и данные. Данные могут иметь формат слова, полуслова или байта. Сигналами управления, определяющими, например, формат перемещаемых данных и направление их передачи и, кроме того, уровень приоритета (этот набор сигналов позволяет ARM7TDMI достаточно просто организовывать интерфейс с DRAM, SRAM и ROM).

Блок-схема ядра ARM7TDMI

Архитектура ARM7TDMI Процессор ARM7TDMI - 32-разрядный RISC процессор с 3-уровневым конвейером, сформированный вокруг банка из 37 32-разрядных регистров, в который входят 6 регистров состояния. Процессор оснащен встроенным умножителем 32x8 и 32-разрядным многорегистровым циклическим устройством сдвига. Пять независимых встроенных шин (PC шина, шина инкремента, шина ALU и A- и B-шины) обеспечивают, при выполнении команд высокую степень параллелизма. Как видно из сравнения блок-схем процессоров ARM7 и ARM7TDMI (См. Рис. 1) в блоке конвейера процессора добавился декомпрессор команд Thumb. Как видно из Рис. 2, ядро ARM7TDMI состоит из ядра собственно процессора, показанного на Рис.1, и расширений отладки: контроллера сканирования TAP (boundary scan) и внутрисхемного эмулятора (ICEBreaker).

Шина АМВА (1) Шина AMBA - стандартная встроенная ASIC шина, разработанная фирмой ARM для организации эффективного взаимодействия компонентов приборов, построенных на базе ядер фирмы и обеспечивающая быстрое модульное проектирование систем при упрощении многократного использования схемотехники и тестов.

Шина АМВА (2) Типовая шина AMBA содержит системную шину (AHB или ASB) и шину периферии (APB). Системная шина соединяет встраиваемые процессоры, такие как ARM ядра, с высокопроизводительной периферией, контроллерами DMA, встроенными памятью и интерфейсами. Это высокоскоростная, с широкой полосой пропускания шина, поддерживающая, для обеспечения максимальной производительности, управление c большим количеством ведущих устройств. Шина периферии работает с упрощенным протоколом и разработана для организации интерфейса с периферийными устройствами общего назначения или дополнительными периферийными устройствами. С системной шиной она соединяется через мост (bridge), способствующий снижению потребления системы.

Семейство ARM9 Thumb Первые приборы семейства ARM9 Thumb появились в октябре 1997 года. Семейство 32-разрядных ARM RISC процессоров ARM9TDMI, сохранившее основные преимущества ARM7TDMI, ставших промышленным стандартом, обеспечивает двукратное увеличение производительности, при изготовлении по эквивалентной технологии. Производительность ARM9TDMI составляет 133 MIPS при 120 МГц и технологии CMOS с топологическими нормами 0,35 мкм. При топологии 0,25 мкм и 0,18 мкм рабочая частота составит свыше 200 МГц и производительность свыше 220 MIPS. В семейство ARM9TDMI, в настоящее время, входит процессорное ядро ARM9TDMI, и оснащенные кэш процессорные макроядра ARM940T и ARM920T.

Возможности процессоров семейства ARM9TDMI Общие для, всех процессоров семейства ARM9TDMI возможности: Высокопроизводительный 32-разрядный ARM RISC механизм Гарвардская архитектура с раздельными шинами команд и данных Пятиуровневый конвейер Модуль, выполняющий операцию перемножения/аккумулирования 16x32 за один цикл Гибкая синхронизация CPU и шины, включая асинхронную, синхронную и однотактовую конфигурации Thumb 16-разрядная система команд, обеспечивающая лучшую в отрасли, плотность кода Встроенные возможности EmbeddedICE JTAG отладки программного обеспечения Возможность адаптации к перспективным CMOS технологиям с меньшими топологическими нормами Совместимость с низковольтными CMOS технологиями 100% совместимость двоичных кодов пользователя с ARM7TDMI Возможность интеграции класса "система-на-кристалле" со встроенным тестированием в процессе производства

Блок-схема процессорного ядра ARM9TDMI

Семейство ARM10 Всего через год после обнародования сведений о разработке процессоров семейства ARM9 Thumb были обнародованы (октябрь 1998 года) сведения о разработке процессоров нового еще более производительного семейства - семейства ARM10 Thumb, обеспечивающего производительность свыше 400 MIPS. Однако главной, пожалуй, особенностью нового семейства нужно считать наличие векторного сопроцессора вычислений с плавающей точкой, явного свидетельства современной тенденции к объединению в одном приборе управляющих целочисленных процессоров и процессоров цифровой обработки сигналов. В основе процессоров семейства ARM10 Thumb целочисленное ядро ARM10TDMI(TM), использующее ARM® 32-разрядную RISC систему команд, сжатую 16-разрядную систему команд Thumb и расширенные Multi-ICE средства отладки программного обеспечения. Ядро процессора ARM10TDMI - первая реализация ARMV5T Архитектуры Системы команд (Instruction Set Architecture - ISA). Ядро ARM10TDMI оснащено пятиуровневым конвейером, реализует параллельное выполнение команд, предсказание переходов и способно продолжать работу при неудачном обращении к кэш, обеспечивая высокую производительность в реальных применениях.

Семейство ARM10 (2) В настоящее время в семейство входит ARM1020T™ - кэшированное макроядро процессора, сформированное на основе ядра ARM10TDMI и оснащенное встроенными кэш команд и данных емкостью по 32 Кбайт, MMU, поддерживающим виртуальную память с подкачкой страниц по требованию, буфером записи, и широкополосным шинным интерфейсом AMBA, класса "система на кристалле".

Семейство StrongARM (1) Первым членом семейства StrongARM, порожденного соглашением между фирмами ARM и Digital Semiconductor, стал ориентированный на встраиваемые применения микропроцессор SA-110 (StrongARM-110), выпущенный еще в сентябре 1996 года. Программируемый системный интерфейс микропроцессора SA-110 предоставляет пользователям высокую гибкость при разработке устройств, соответствующих специфическими требованиям применений. Интерфейс SA-110 может работать в синхронном или асинхронном режимах и программируется в диапазоне частот. Такая гибкость позволяет разработчикам организовывать интерфейс с различными типами памяти, ориентируясь или на обеспечение высокой производительности или на получение системы с невысокой стоимостью. Всего через год после появления микропроцессора SA-110 фирма Digital Equipment Corporation расширила семейство StrongARM, выпустив микропроцессор SA-1100. Ориентированный на дальнейшее расширение возможностей и технических характеристик карманных PC, суб-ноутбуков, "интеллектуальных" сотовых телефонов, Internet-совместимых "Web" телефонов и высокопроизводительных встраиваемых применений, микропроцессор StrongARM SA-1100, обеспечил в три-пять раз большую производительность, чем конкурирующие приборы - уже находившиеся в то время в производстве или только разрабатывавшиеся.

Семейство StrongARM (2) Микропроцессор SA-1100, с максимальной тактовой частотой 220 МГц - первый встраиваемый процессор, приближающийся к соотношению 1000 MIPS/Вт. При тактовой частоте 220 МГц и напряжении питания 2,0 В микропроцессор SA-1100, ориентированный на встраиваемые применения, обеспечивает производительность 250 Dhrystone V2.1 MIPS, потребляя менее 550 мВт, ориентированная на мобильные применения версия с тактовой частотой 133 МГц и напряжением питания 1,5 В обеспечивает производительность 150 Dhrystone V2.1 MIPS, потребляя менее 230 мВт.

Семейство StrongARM (3) Следующим пополнением семейства StrongARM, выпущенным в середине 1999 уже под маркой фирмы Intel года, стал микропроцессор SA-1110. Этот микропроцессор, ориентированный на использование в мобильной аппаратуре с батарейным питанием, во многом повторил возможности и характеристики микропроцессора SA-1100, но он располагает расширенными возможностями взаимодействия с памятью, расширенными возможностями I/O и конфигурирования.