第2课 实验平台的熟悉

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,嵌入式系统,An Introduction to Embedded System,第2课 PXA255开发平台,2009年4月,1,回顾,嵌入式系统概念,嵌入式系统发展历程,嵌入式系统构成要素,嵌入式系统应用领域,浙大,嵌入式系统教学与科研,2,提纲,ARM嵌入式处理器,StrongARM架构处理器,XScale架构处理器,PXA255处理器结构与特性,Xsbase255开发系统,3,概述,ARM,公司虽然只成立,10,多年，但在,1999,年因移动电话火爆市场，其,32,位,RISC,处理器占市场份额超过了,50%,。,ARM,公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过,100,个合作伙伴,-,包括半导体工业的著名公司。,ARM,公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有,16/32,位双指令集。,ARM,已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的,RISC,标准。,Advanced RISC Machines,4,ARM系列产品表示,ARM,系列产品丰富，以,ARM7,为例，内核,ARM7TDMI,表示为：,ARM7,：,ARM,系列具有,32,位整数运算核,T,： 内含,16,位压缩指令集,Thumb,D,： 支持片内,Debug,调试,M,： 采用增强型乘法器,(Multiplier),I,： 内含嵌入式,ICE,宏单元,ARM,系列产品的后缀提供了各种形式与功能的选择：,-S,：可综合的软核,Softcore,-E,：具有,DSP,的功能,-J,：,Jazeller,，允许直接执行,Java,字节码,5,ARM架构,ARM架构自诞生至今,已经发生了很大的演变,至今已定义7种不同的版本：,V1,版架构,V2,版架构,V3,版架构,V4,版架构,V5,版架构,V6,版架构,V7,版架构,6,V1版架构,该版架构只在原型机ARM1出现过,其基本性能：,基本的数据处理指令,(,无乘法,),字节、半字和字的,LOAD/STORE,指令,转移指令,包括子程序调用及链接指令,软件中断指令,寻址空间：,64M,字节,(26,位,),7,V2版架构,该版架构对V1版进行了扩展，如ARM2与ARM3(V2a版)架构，增加了以下功能：,乘法和乘加指令,支持协处理器操作指令,快速中断模式,SWP/SWPB,的最基本存储器与寄存器交换指令,寻址空间：,64M,字节（还是,26,位）,8,V3版架构,把寻址空间增至,32,位,(4G,字节,),增加了当前程序状态寄存器,CPSR(Current,Program Status Register),和程序状态保存寄存器,SPSR(Saved,Program Status Register),。,增加了中止,(Abort),和未定义二种处理器模式。,ARM6,就采用该版架构。指令集变化如下：,增加了,MRS/MSR,指令，以访问新增的,CPSR/SPSR,寄存器,增加了从异常处理返回的指令功能。,9,V4,版架构是目前应用最广的,ARM,体系结构，对,V3,版架构进行了进一步扩充。,引进了,16,位的,Thumb,指令集，使,ARM,使用更加灵活。,ARM7,、,ARM8,、,ARM9,和,StrongARM,都采用该版架构。指令集中增加了以下功能：,符号化和非符号化半字及符号化字节的存,/,取指令,增加了,16,位,Thumb,指令集,完善了软件中断,SWI,指令的功能,处理器系统模式,引进特权方式,时使用用户寄存器操作,把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令,V4版架构,10,V5版架构,在,V4,版基本上增加了一些新的指令,ARM10,和,XScale,都采用该版架构,这些新增指令有：,带有链接和交换的转移,BLX,指令,计数前导零,CLZ,指令，提高整数除法和重点优先级排队操作的效率,BRKT,中断指令（软中断）,增加了信号处理指令,(V5TE,版,),为协处理器增加更多可选择的指令,11,V6版架构,在芯片功耗和多媒体处理上有所突破。,增加多媒体扩展（,SIMD,变种）功能,在语音、视频、图像上的处理能力提高,4,倍,使用先进工艺使得芯片的功耗进一步降低。,该版本可以广泛应用于移动电话、,PDA,等手持设备,12,ARM处理器系列,ARM7,系列,ARM9,系列,ARM9E,系列,ARM10E,系列,SecurCore,系列,Intel,的,Strong ARM,系列,Intel,的,XScale,系列,13,如何对ARM处理器进行选型（1）,操作系统需求,ARM720T/ARM920T/ARM922T/ARM946T:,有,MMU,支持,Linux,WinCE,ARM7TDMI:,没,MMU,，,uCLinux,系统时钟控制器,ARM7:20133 MHZ,ARM9:100233 MHZ,ARM10:700 MHZ,Cirrus Logic,的,EP7312:,只有一个主时钟频率，不能顾及,UART,和音频时钟的准确性。,Philips,的,SAA7750:,分别为,CPU,核、,UART/DSP/,音频提供同频率时钟。,14,如何对ARM处理器进行选型（2）,USB,接口,USB,控制器,USB Host,USB Slave,GPIO,数量的多少,是否和地址线、数据线、串口线等引线复用,中断控制器,SAA7550:,所有,GPIO,都可以设置成,FIQ,或,IRQ,，可以选择上升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式，使得,IRDA,、键盘等任务可以作为背景程序运行。,15,如何对ARM处理器进行选型（3）,Cirrus Logic,的,EP7312,：只有四个外部中断源，每个中断源只能是低电平或高电平中断，需用轮询方式。,IIS( Integrate Interface of Sound ),接口,便于设计音频应用产品。,nWAIT,信号,与,GAL,芯片结合实现符合,PCMCIA,标准的,WLAN,卡和,Bluetooth,卡的接口，成本比,PCMCIA,专业控制芯片低。,可以扩展外部,DSP,协处理器。,LCD,控制器,设计手持式显示记录设备时，选用内置,LCD,控制器的,ARM,芯片较为合适。如,S1C2410,16,如何对ARM处理器进行选型（4）,电源管理,低功耗模式,睡眠模式,DMA,控制器,可以快速和外部设备交换数据，如硬盘等。,封装,主要有,QFP/TQFP/PQFP/LQFP/BGA/LBGA,等形式。,BGA,封装芯片面积小，但需要专用焊接设备，无法用双面板完成,PCB,布线，需要多层,PCB,板布线。,17,如何选择多芯核结构ARM芯片,多,ARM,核 （,ARM + ARM,）,Portal Player,公司的,PP5002,： 集成两个,ARM7TDMI,用于,MP3,。,MinSpeed,公司多款通信芯片：集成,24,个,ARM7TDMI,内核,ARM + DSP,ARM,公司的,Piccolo DSP,芯核,OAK,公司的,16,位定点,DSP,芯核,TI,公司的,TMS320C5000,系列,DSP,芯核,Motorola,公司的,56K DSP,核,ARM + FPGA,18,主要的ARM芯片提供商,Intel,Texas Instrument,Samsung Semiconductor,Freescale,Philips Semiconductor,Qualcomm,Atmel,Cirrus Logic,华为、中兴正购买,ARM,芯核，设计自主版权专用芯片,19,提纲,ARM嵌入式处理器,StrongARM架构处理器,XScale架构处理器,PXA255处理器结构与特性,Xsbase255开发系统,20,StrongARM架构处理器,StrongARM,是,Intel,公司为手持式消费类电子设备和移动计算与通信的嵌入式处理器。,采用,StrongARM,架构的处理器有：,SA-1,：,StrongARM,处理器内核,SA-110,：,StrongARM,处理器核,SA-1100,： 通用处理器,MPU,SA-1110,： 通用处理器,MPU,IXP1200,： 采用,StrongARM,核的网络处理器,21,StrongARM架构主要特性（1/2）,StrongARM,处理器核,内核：,SA-1,、指令快存,I-Cache,、数据快存,D-Cache,、微小数据,Cache,、存储器管理单元,IMMU,和,DMMU,、读和写缓冲器,存储器控制模块,支持各种,ROM,、,FLASH(,闪存,),、,DRAM,和,SRAM,、支持,PCMCIA,系统控制模块,通用可中断,GPIO,、看门狗定时计数器、间隔定时器、电源管理控制器、中断控制器、片上振荡器：,2,个（含锁相环）,22,StrongARM架构主要特性（2/2）,外围控制模块,LCD,液晶驱动控制器、串行接口,UART,、红外接口,IrDA,、数字单频,Codec,接口,大量应用的是改进型,SA-1110,处理器。在,SA-1100,处理器基础上，增加了以下功能：,DMA,控制器,:6,通道,以提高,LCD,显示和,I/O,传送的效率,实时时钟,RTC,串行外围接口,SPI,扩展了,PS/2,键盘与鼠标接口、,USB,的主机接口以及,PCMCIA/CF,接口。,23,提纲,ARM嵌入式处理器,StrongARM架构处理器,XScale架构处理器,PXA255处理器结构与特性,Xsbase255开发系统,24,Intel XScale PXA255,XScale,微架构处理器的时钟可以达,1GHz,、功耗,1.6W,，能达到,1200MIPS,，是最高端的嵌入式处理器之一,型号：,IOP310,、,IOP321,、,PXA210,、,PXA 25X,、,PXA 26X,、,PXA 27X,采用,7/8,级超级流水线,支持多媒体处理技术,指令快存,(I-Cache),：,32K,字节,数据快存,(D-Cache),微小数据快存,(Mini-,DCache,),指令存储器管理单元,IMMU,动态电源管理,数据存储器管理单元,DMMU,中断控制器,总线控制器,1G,字节,/,秒、,ECC,协议,调试,(Debug),接口,25,XScale系统结构,26,XScale系统结构,27,28,XScale系统结构- XScale超级流水线,PXA255拥有7级超级流水线，主要由主流水线、MAC流水线和内存访问流水线组成。是与SA的最大不同特点之一。,29,XScale系统结构- XScale超级流水线,主流水线,F1/F2指令读取,ID指令译码,RF寄存器文件/移位级,X1执行级,X2执行级,XWB写回级,30,XScale系统结构- XScale超级流水线,MAC流水线,执行所有的乘/累加指令。它执行40位累加寄存器acc0和能把指令值转化成普通的ARM 寄存器值。,当MAC在处理一条指令的时候其他的指令不允许进入到M1中，除非原来的指令在下一个周期中处理完成（非流水）。,MAC单元执行开始于M1，接受2个32位操作数，N个周期后完成并返回寄存器文件。,31,XScale系统结构- XScale超级流水线,内存访问流水线,内存流水线有D1、D2和DWB3级构成，独立完成指令的装载和存储。,执行完X1后开始执行D1级，计算有效的存/取地址；在D2级数据cache和小型数据cache返回目的数据；DWB级进行填入缓冲器和写入缓冲器操作。,32,XScale系统结构- XScale乘/累加MAC,XScale为了多媒体的应用，支持SIMD,例如：MIAPH指令，执行2个16x16位乘法，然后与40位累加器相加，即2个32位寄存器可以看作为2对16位寄存器，先高16位相乘并与累加器进行相加；低16位也相乘后与累加器相加，这2个结果相加后再送到寄存器文件中。,33,XScale系统结构- 内存管理,提供内存访问保护和虚拟地址到物理地址的转换,支持指令TLB,支持数据TLB,(Translation Look-aside Buffer，TLB，转换搜索缓存),34,XScale系统结构- 指令Cache,容量为32K,32路组相联,每路由8个字(32字节)和一位有效位,(思考：有几组?),循环替换算法,35,XScale系统结构- 指令Cache,36,XScale系统结构- 数据Cache,容量32KB,32路组相联,每路包含32字节和1个有效位，2个dirty位，分别对应低16位字节和高16位字节,采用循环替换法,37,XScale系统结构- 转移目标缓冲器BTB,BTB由有128入口的直接映像cache构成,每个入口由TAG分支地址、DATA数据目标地址和2位历史位组成。,38,XScale系统结构- 性能监视,提供2个32位性能计数器，对2个独立事件同时监视。,1个32位时钟计数器，联合性能计数器记录内核时钟数。,当计算突发事件时计数器将监测到一个特定事件的发生；,当测量持续事件时计数器将记录处理器时钟周期数当指定条件为真时事件发生。,所有的这些计数器都有对应的IRQ和FIQ资源。,XScale的性能监视模块可以通过协处理器CP14的寄存器0-3进行控制。,39,XScale系统结构- 电源管理,X,Scale合并电源管理和时钟管理来控制时钟和管理电源。,控制每一个运行模式的时钟频率和管理不同电源管理模式下的性能与功耗间的优化。,40,XScale系统结构- 调试,通讯控制模块,通过JTAG指令来建立目标机和宿主机握手,硬件断点模块,提供指令和数据断点寄存器，由协处理器控制,跟踪缓冲模块,对程序历史记录以实现恢复异常和跳转,代码下载模块,代码下载到I-Cache，调试代理程序实现读/写,41,提纲,ARM嵌入式处理器,StrongARM架构处理器,XScale架构处理器,PXA255处理器结构与特性,Xsbase255开发系统,42,PXA255处理器结构与特性,43,PXA255处理器结构与特性,PXA255除了采用XScale内核，还具有以下特点：,内核工作频率：200MHz、300MHz和400MHz,系统存储器接口,时钟和电源控制器,DMA控制器,LCD控制器,系统集成模块,串行通信口,多媒体通信口,44,PXA255处理器结构与特性,时钟模块,：,包括以下5个主要时钟源：,32.768kHz振荡器,3.6864MHz振荡器,可编程频率核心PLL,95.85MHz固定频率的外设PLL,147.46MHz固定频率PLL,时钟管理模块包含3个寄存器,核时钟设置寄存器CCCR,时钟允许寄存器CKEN,振荡器设置寄存器OSCC,45,PXA255处理器结构与特性,电源管理模块,运行模式,快速模式,空闲模式,休眠，但仍监视片内片外的中断服务请求。,33MHz空闲模式,和其他空闲模式的区别：所有的外设单元都不能使用，包括SDRAM、LCD和DMA控制器。,睡眠模式,处理器内部单元功能关闭，只有实时时钟和电源管理模块继续工作 。,46,PXA255处理器结构与特性,GPIO口,PXA255可以使用和控制的GPIO管脚有81个。,使用27个寄存器可以配置这些GPIO管脚的方向(进或出)、管脚功能、管脚的状态(输出)、管脚的高低电平检测(输入)和选择第二功能。,许多GPIO管脚的第二功能已经被处理器或外设配置使用。,47,PXA255处理器结构与特性,中断控制器,48,PXA255处理器结构与特性,实时时钟RTC,使用实时时钟可以配置成频率很广的周期时钟信号，通常RTC设置1Hz信号输出用来当作系统时间的基准。,实时时钟芯片是RTC4513。,49,PXA255处理器结构与特性,DMA控制器 (DMAC ),DMAC有16个通道，从通道0到通道15。,DMA控制器对内存的访问和CPU的运行完全互斥，因此在DMA控制器访问内存时CPU不访问内存。,DMA控制器在传输数据上要比CPU快得多，它的操作完全由硬件驱动，只要一个时钟周期就可以完成一个字节的传输。,50,提纲,ARM嵌入式处理器,StrongARM架构处理器,XScale架构处理器,PXA255处理器结构与特性,Xsbase255开发系统,51,Xsbase255开发系统,52,Xsbase255开发系统-,硬件资源,项目,描述,处理器,Intel,XScale PXA255 400MHz,SDRAM,Samsung 64Mbyte,Flash,Intel,strata flash 32MByte,以太网,CS8900A 10BaseT,声卡,AC97 Stereo audio,显示,LG TFT LCD 6.4”( 640 * 480),触摸屏,ADS7843 touch screen,USB Host,2 Slot,US,B Slave,1 Slot,PCMCIA,1 Slot,实时时钟,Real time clock RTC4513,红外,HDSL3600,CF,1 Slot,MMC,1 Slot,53,Xsbase255开发系统-,硬件资源,存储器接口主要分成3类：,SDRAM,SDRAM有4块区域,静态FLASH,静态存储器有6块,卡存储器,卡存储器有2块,54,Xsbase255开发系统-,硬件资源,LCD接口,PXA255处理器内置的LCD控制器支持被动(DSTN)或主动(TFT)模式的显示器，并支持单色或多种的彩色像点格式，支持单屏或双屏显示；,显示可以达到1024x1024，推荐使用最大值800x600；内置2个专用DMA通道；,Xsbase255系统使用的LCD是6.4TFT 的彩色显示屏，分辨率是640x480。,55,Xsbase255开发系统-,硬件资源,以太网接口,Xsbase255开发系统采用Cirrus Logic公司CS8900A以太网芯片，是符合IEEE802.3协议的工业标准架构总线的以太网芯片。,高度集成了一些常用的部件，如：片内的RAM、10BASE-T传输和接受过滤器、ISA总线接口等。,56,Xsbase255开发系统-,硬件资源,音频接口,PXA255处理器包含AC97控制单元，支持音频控制器，通过串口传输数字音频、调制调解器、音频输入、控制寄存器和状态信息等。,Xsbase255外扩了Cirrus Logic CS4299用作音频解码器。,57,Xsbase255开发系统-,硬件资源,实时时钟RTC,当关闭Xsbase255系统电源，RTC4513可以通过一个电池来保持当前的时间。,系统外扩了实时时钟芯片RTC4513和一个纽扣电池组成RTC电路 。,58,Xsbase255开发系统-,硬件资源,串口,Xsbase开发系统提供1个全功能的（FF，Full Function）串口，1个蓝牙串口（BT，Bluetooth）和1个标准UART（红外接口）。,使用PXA255中的第二功能GPIO引脚。,全功能串口支持Modem控制功能，最高波特率为230.4Kb/s。,蓝牙串口是一个高速UART，最高波特率为921.6Kb/s。,59,Xsbase255开发系统-,硬件资源,USB接口,Xsbase255开发系统有1个USB-Client接口和2个USB-Host接口(其中一个是mini USB接口)。,USB-Client接口作为USB的从设备，与主设备如宿主机连接，用于下载数据和程序，也可以用作USB网口来使用。,USB-Host接口作为USB的主设备，用于连接USB外设。,60,Xsbase255开发系统-,硬件资源,扩展接口,1个PCMCIA接口,1个CF卡接口,1个MMC卡接口,120pin的扩展接口。,61,Xsbase255开发系统-,软件资源,项,目,描,述,操作系统,Linux 2.4.18 kernel,Bootloader,Blob for PXA255,设备驱动,网口：,CS8900 Ethernet,音频：,AC97 streo audio,显示,：LCD Frame buffer,触摸屏,：ADS7843 touch screen,USB主/从：USB Host,PCMCIA(CF driver included),实时时钟RTC4513(Real Time Clock),红外端口：IrDA,MMC卡,：MMC,串口驱动：Serial Port,键盘：KeyBoard Drivers,文件系统,JFFS2,图形用户界面,Tiny X server,工具链,GNU for PXA255,调试工具,GDB Server for PXA255,62,Xsbase255开发系统-,软件资源,Flash地址映像,63,Xsbase255开发系统-,软件资源,SDRAM地址映像,64,Xsbase255开发系统-,软件资源,Windows CE （4.2 NET ）,65,66,