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1、嵌入式系統晶片架構1大綱l嵌入式系統微處理器架構l微處理器架構種類lARM系統晶片概觀lIntel XScale微架構系統晶片概觀lI/O順序l信號(Semaphores)l中斷l重置l內部暫存器l選擇週邊vs.通用I/Ol電源開啟重置與開機動作l電源管理2嵌入式系統微處理器架構l通用型微處理器微處理器專責計算搭配其他週邊晶片形成完整的系統優點l可依各種不同需要搭配不同週邊晶片l高計算能力缺點l耗電量較大l電路板尺寸較大常見通用型微處理器lX86lMIPSlARMlPower PC3嵌入式系統微處理器架構(Cont.)l整合型微控制器整合微處理器與各項週邊功能於單一晶片中l優點省電電路板設計簡
2、便，尺寸可進一步縮小l缺點計算能力有限記憶體有限常見整合型為控制器l8051lAVR4微處理器架構種類lCISC(複雜指令集)架構儘可能用更少的指令來完成一件工作接受一個指令時，執行一系列的動作 lRISC(精簡指令集)架構指令執行簡單動作, 盡量在一個時脈週期內完成lVLIW(超長指令集)架構在一個指令中整合多個可以並行執行的指令5CISC架構l特色擁有大量的指令一個指令可能是簡單或複雜的操作 指令長度並不固定具多種指令格式l優點相同的演算法可能只需較少的組合語言指令l程式碼較短, 佔用較少記憶體(程式碼密度高)l缺點設計較為複雜, 開發時程較長時脈不易提高li.e. X86架構 6RISC
3、架構l特色擁有少量精選的指令一個指令幾乎都是單一簡單的操作指令長度固定指令格式固定l優點微處理器設計較為簡單時脈易提高l缺點程式碼較長, 佔用較多記憶體(程式碼密度低)li.e. Power PC, ARM架構7VLIW架構l特色一個指令含有多個簡單獨立的操作指令長度固定指令格式固定l優點多個操作高度平行處理，執行效能高l缺點程式碼較長, 佔用較多記憶體(程式碼密度低)需要較好的編譯器來達到較好的執行效能li.e. Itanium, TriMedia架構8ARM系統晶片概觀l為RISC架構微處理器l整合型單晶片系統l高效能、低耗電(高MIPS/Watt比)l具有Thumb指令集，可將部份32位
4、元指令內容 以16位元表示，降低程式碼密度(code density) 。l由ARM微處理器核心與其他元件組成元件包括DSP處理器以及各種週邊裝置9ARM926EJ-S晶片的典型應用(出自ARM926EJ-S Development Chip Reference Manual) 10出自OMAP Processor Dual Debugging Procedures between ARM and DSP 網址：http:/ XScale微架構系統晶片概觀l相容於ARM Version 5TE指令集 (但不包含浮點運算指 令)l遵循ARM程式設計者模型的規範l三個系列的應用微處理器PCA (P
5、ersonal Internet Client Architecture)系列l適用於可攜式裝置IXP (Internet Exchange Processor)系列l適用於網路應用I/O系列l適用於I/O控制12Intel PCA系列微處理器l依據用途與架構，共有六大系列適用於可攜式裝置，如手機、Smart phonelPXA210lPXA800xx適用於可攜式裝置與多媒體通訊產品如PDA、WebPAD、Smart Display等lStrong ARM SA111xlPXA25xlPXA26xlPXA27x13Intel XScale 25x微架構系統晶片概觀l支援多種類的記憶體類型l內建
6、整合型LCD顯示控制器解析度最高為800x600像素支援1、2、4、8位元的灰階像素支援8、16位元的彩色像素 l256 entry / 512 byte色盤記憶體， 提供了彩色 對映的彈性。14Intel PXA 210 處理器l13*13 公厘見方l225 腳位lT-PBGA 封裝l16位元記憶體資料匯流排l精簡一些週邊lIntel XScale 核心 up to 200MHz15Intel PXA 250 處理器l17*17 公厘見方l256 腳位lPBGA 封裝l32位元記憶體資料匯流排l整合各類的週邊lIntel XScale 核心 at 200, 300, 400MHz16PXA
7、25x 系統架構17Intel XScale 核心l與 ARM 5TE 版本相容l低功率與高效能lIntel 媒體處理技術l32-KByte 指令與資料快取l2-KByte 迷你指令與資料快取l指令與資料記憶體管理單元(MMU)l目的分支緩衝區(BTB)lJTAG 埠除錯能力18LCD 控制器l支援主動式與被動式平板顯示器l解析度最高可至 800*600*16 位元/像素l兩個專用的 DMA channels 允許 LCD 控制器支 援一個或是雙重面板顯示l被動式單色顯示可支援至 256 色灰階l彩色顯示可支援至 64K 色彩19記憶體控制器l支援至多四個 SDRAM 分割l六個靜態晶片選擇S
8、RAMSSRAMFlashROMSROM相容晶片l兩個 PCMCIA 或 CF 插槽20DMA 控制器 (DMAC)lDMA控制器使得系統在進行大量資料傳輸時 ，不必經過CPU處理，以避免降低CPU效能l提供16 個通道(channel) 給內部週邊及至多兩 個外部相容晶片l與週邊傳輸可使用 word、half-word、byte 資 料大小來傳輸21時脈與電源控制器l應用處理器功能區塊由時脈所驅動l電源管理員控制 Turbo/Run、Idle、Sleep 模式間的轉 換，藉此達到最佳的效能與電源消耗。l時脈由 3.6864MHz震盪器及選擇性使用之 32.768kHz 震盪器所產生l3.68
9、64MHz震盪器主要是驅動核心及週邊的鎖向迴路 (Phase Locked Loop, PLL)l32.768kHz震盪器可選擇作為在待命(standby)或睡眠 (sleep)模式期間驅動即時時脈(RTC)、電源管理員雨 中斷控制器，以提供最低的電源消耗22中斷控制l控制處理器的中斷來源l遮罩暫存器可啟動或關閉個別的中斷來源l包含中斷來源的位置，使軟體可以得知所有 中斷的來源l決定中斷是否產生IRQ或FIQ23即時時脈 (RTC)lRTC通常設成1 Hz的輸出，用來維持系統時 間l通常提供警報(alarm)功能，當RTC輸出的時 脈累加到一個預設值時，產生一個中斷或一 個喚醒事件(wake
10、up event)l由兩個震盪器之一所驅動l睡眠模式下，32.768KHz 較 3.6864MHz 省電 源l此晶體可自系統移除以節省成本24OS Timersl提供一組計時通道一個參考計數器四個作業系統匹配暫存器允許軟體產生計時的中斷l如看門狗(Watchdog)中斷l利用3.6864MHz時脈驅動參考計數器在每個時脈正緣上數一次l當匹配暫存器與參考計數器相等時，可設定引發中斷l作業系統匹配暫存器3(OSMR3)可引發看門狗(Watchdog) 重置25脈寬調變器 (PWM)l脈寬調變器提供基本的數位/類比轉換 搭配適當的類比過濾器(analog filter)l調變”on”的時間來控制LE
11、D的亮度lLCD 對比控制l有兩個獨立的輸出l可程式化的透過 GPIO腳位輸出l頻率與功率週期可獨立程式化26AC97 控制器l可對數位音效進行調變與解調變，以及儲存與播 放音效l取樣頻率可至 48KHzl提供獨立的 16 位元通道給立體音(Stereo) PCM輸入/輸出Modem輸入/輸出單聲道麥克風輸入每個通道內含一個 FIFO以支援DMA27I2SlInter-IC Sound Controllerl由飛利浦半導體定義，在IC間傳輸雙通道的數位音效訊 號的協定 為數位立體聲道提供連至標準 I2S 編解碼器的序 列連結 提供 Normal-I2S 及 MSB-Justified I2S
12、格式 提供四個訊號以連至 I2S 編解碼器 I2S 控制訊號與 AC97 控制器腳位共同運作 包含 FIFO 以提供 DMA28I2ClInter-Integrated Circuit Bus Interface Unitl由飛利浦公司定義的序列傳輸匯流排作為IC間的資 料傳輸通道 提供兩個腳位的一般用途序列通訊埠 一個腳位給資料與位址 另一個腳位用來傳輸時脈29快速紅外線通訊埠l提供紅外線訊號，可直接連接到紅外線LED收 發器l以 4Mbps IrDA 規格為基礎l半雙工方式操作 內含 FIFO 以支援 DMA30同步序列協定控制器 (SSPC)lSynchronous Serial Pro
13、tocol Controllerl是一個同步序列介面，可用來連接到多種不同的外部 類比/數位(A/D)轉換器如音訊與無線電通訊編解碼器其他以序列協定作為資料傳輸的裝置 於7.2kHz至1.84MHz下運作 內含 FIFO 以支援 DMA 支援以下三種協定 美國國家半導體的 Microwire 德州儀器的同步序列協定 摩托羅拉的序列週邊介面31多媒體卡控制器 (MMC)l提供序列介面連至標準記憶卡l於 MMC 或 SPI 模式下可支援至多兩個卡l資料傳輸可達 20Mbpsl內含 FIFO 以支援 DMA32通用非同步收發器 (UART)lUniversal Asynchronous Receiv
14、er / Transmittersl對從週邊裝置或modem接收的資料執行序列到並列(serial -to-parallel)轉換l對從處理器接收的資料執行並列到序列的轉換以傳送到 週邊l提供三種 UART全功能 UART (FFUART) baud rate 230Kbps藍芽 UART (BTUART) baud rate 921Kbps標準 UART (STUART) baud rate 230Kbps33通用序列匯流排客戶端l支援所有由USB hosts controller所發出的標 準裝置請求l符合 USB 修定版本 1.1 之規格l可支援16 個端點(Endpoint)l以12
15、Mbps的速率，進行半雙工的資料傳輸 提供 FIFO 以支援 DMA34一般用途輸入輸出 (GPIO)l每個 GPIO 可程式化為輸入或輸出l輸入可在訊號上升或下降邊緣被觸 發l主要的 GPIO 有 17 個輸出入埠l第二個 GPIO 有選擇性功能可對應 至週邊35PXA 27x 系統架構出自Intel PXA27x Processor Family Developers Manual36Intel XScaleTM微結構的選擇項目(cont.)l協力處理器7暫存器4 PSFS位元當nVDD_FAULT或nBATT_FAULT腳位被觸發時，電源管理控制暫存器(PMCR) 內的不正確資料放棄致能
16、(IDAE)位元會被設定。 l協力處理器14暫存器0-3 效能監視應用處理器未定義任何超出Intel XScale Microarchitecture for the PXA250 and PXA210 Application Processors Users Manual, order# 278525文件範圍的效能監 視功能。 由應用處理器所保留的PMNC暫存器來定義功能l協力處理器14暫存器6、7 時脈與電源管理允許軟體在時脈與電源管理模式下使用l協力處理器15暫存器0 ID暫存器定義應用處理器的類型與修正版本Intel開發者網頁http:/來取得最新的訊息l協力處理器15暫存器1 P-位元分頁表記憶
