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1、嵌入式系统晶片架构嵌入式系统晶片架构大綱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3-2ARM系統晶片概觀系統晶片概觀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3-9ARM926EJ-S晶
2、片的典型應用(出自ARM926EJ-S Development Chip Reference Manual)3-10出自OMAP Processor Dual Debugging Procedures between ARM and DSP網址：http:/ 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 (Personal 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3-12
3、Intel 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 SA111xlPXA25xlPXA26xlPXA27x3-13IntelXScale25x微架構系統晶片概觀l支援多種類的記憶體類型l內建整合型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。3-14IntelPXA
4、210處理器處理器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 200MHz3-15IntelPXA250處理器處理器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 at200, 300, 400MHz3-16PXA 25x 系統架構3-17IntelXScale核心核心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
5、記憶體管理單元(MMU)l目的分支緩衝區(BTB)lJTAG 埠除錯能力3-18LCD控制器控制器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3-19記憶體控制器記憶體控制器l支援至多四個 SDRAM 分割l六個靜態晶片選擇SRAMSSRAMFlashROMSROM相容晶片l兩個 PCMCIA 或 CF 插槽3-20DMA控制器控制器(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
6、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3-21時脈與電源控制器時脈與電源控制器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l3.6864MHz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(s
7、leep)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3-22中斷控制中斷控制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FIQ3-23即時時脈即時時脈(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 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3-24OSTime
8、rsl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3-25脈寬調變器脈寬調變器(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LED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3-26AC97控制器控制器l可對數位
9、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DMA3-27I2SlInter-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l為數位立體聲道提供連至標準 I2S 編解碼器的序列連結l提供 Normal-I2S 及 MSB-Justified I2S 格式l提供四個訊號以連至 I2S 編解碼器lI2S 控制訊號與 AC97 控制器腳位共同運作l包含 FIFO 以提供 DMA3-28I2C
10、lInter-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l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3-29快速紅外線通訊埠快速紅外線通訊埠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l內含 FIFO 以支援 DMA3-30同步序列協定控制器同步序列協定控制器(SSPC)lSynchronous Serial Protocol 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
11、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l於7.2kHz至1.84MHz下運作l內含 FIFO 以支援 DMAl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3-31多媒體卡控制器多媒體卡控制器(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 DMA3-32通用非同步收發器通用非同步收發器(UART)lUniversal Asynchronous Receiver / Transmittersl對從週邊裝置或modem接收的資料執行序
12、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 230Kbps3-33通用序列匯流排客戶端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 Mbps的速率，進行半雙工的資料傳輸提供 FIFO 以支援
13、 DMA3-34一般用途輸入輸出一般用途輸入輸出(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3-35PXA 27x 系統架構出自Intel PXA27x Processor Family Developers Manual3-36IntelXScaleTM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(IDAE)位元會被設定。 l協力處理器1
14、4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-位元分頁表記憶體屬性位元 沒有被實作，寫入時也
15、必須為03-37I/O順序l應用處理器使用佇列來接收來自三個內部主控者(master)的記憶體請求核心DMA控制器LCD控制器l主控者所發出的動作將以接收的請求順序來完成。l主控者的動作可能被另一個主控者的動作所中斷。l應用處理器並沒有提供任何方法來規範來自不同主控者動作的先後順序。3-38I/O順序(cont.)l載入(load)與儲存(store)至內部記憶體位址的動作，一般來說會比存取外部記憶體位址更快完成。l範例一在下列順序中，儲存至r4位址的指令會比儲存至r2位址的指令更早完成第一個儲存指令會在佇列中等待外部記憶體第二個儲存指令則沒有任何延遲(內部記憶體)str r1, r2;儲存至
16、外部記體位址r2str r3, r4;儲存至內部(on-chip)記憶體位址r4l範例二若兩個儲存指令為控制動作時，則必須依序完成。在兩個儲存指令之中插入一個載入指令去讀取一個無緩衝且無快取的記憶體分頁這個載入指令之後再插入另一個指令，而這個指令必須依賴先前載入指令所讀取的資料來動作。str r1 r1, r2;第一個發佈的儲存指令。ldr r5, r6;從外部無緩衝、無快取的位址載入(若可能，則為r2)。mov r5, r5;nop stall(暫停)，直到載入r5。str r3, r4;第二個儲存指令依照程式順序完成。3-39信號(Semaphores)l應用處理器內部Swap(SWP)與
17、Swap Byte(SWPB)指令可以用來做信號操作。應用處理器內的主控者或程序不可以在SWP或SWPB指令的載入與儲存期間使用相同的位置 。 l應用處理器外部外部輔助晶片可能使用MBREQMBGNT交握信號，在信號鎖定(locked)程序期間，取得匯流排的使用權，此時信號連貫性(coherency)可能被中斷。為了允許外部輔助晶片進行信號的操作，軟體必須管理其連貫性。3-40中斷l應用處理器上所有的中斷都可以被致能、遮蔽，而且都可以被導入至核心的FIQ或IRQ。每個中斷的致能或是不致能都是由中斷遮蔽位元來控制。一般在一個單元內的所有中斷會先經過OR布林運算後，產生一個單一信號值給中斷控制器。
18、每個中斷會先經過中斷控制器遮蔽暫存器，然後中斷控制器等級暫存器將中斷導入IRQ或是FIQ。當中斷被處理時，軟體將讀取中斷控制器等候暫存器來辨識其來源。軟體在確認中斷來源之後，軟體有責任為中斷提供對應服務。 在執行完服務常式之前清除中斷來源。l注意：清除中斷來源時會有一些延遲。為了使狀態位元在離開中斷服務常式之前清除，請讓程式提前清除中斷。3-41重置l應用處理器可用下列三種任一方法來進行重置硬體重置lnRESET腳位被觸發，強迫所有的單元進入重置狀態。看門狗重置lOS計時器逾時，重置後可以從執行中失控的程式碼復原系統。l看門狗重置預設值是關閉的，必須藉由軟體來啟動。GPIO重置l軟重置l與前兩
19、種重置相比較之下，比較不具破壞性。3-42內部暫存器l以32位元作為位址邊界l與實體記憶體空間直接對應l位址空間必須對應為不可快取l以字組(word)為存取單位l位元組(byte)和半字組(half word)的存取是不被允許的，並會產生不可預期的結果。l保留位址沒有被對應到的暫存器位址空間讀取與寫入將會造成不可預期的結果l保留位元暫存器內未使用的位元供未來使用寫入為0，讀取忽略，因為它們是不可預期的。3-43選擇週邊vs.通用I/Ol大部分的週邊透過GPIO連接到外部的腳位l軟體必須先設定GPIO的組態l腳位的預設狀態為GPIO輸入l有一些GPIO腳位同時擁有多種功能，當其中之一的功能被選擇
20、之後，其他剩下的功能將會被排除。l有一些週邊同時對應到多個GPIO腳位，多個對應並不代表週邊擁有多個分身，而是代表可以用多種方式連接到與週邊相連的腳位。3-44電源開啟重置與開機動作l在裝有應用處理器的設備開啟電源之前，系統必須觸發nRESET與nTRST腳位。l為了使內部時脈穩定，所有的電源供應在移除nRESET與nTRST的觸發之前，必須在一定的時間內達到穩定狀態。l當nRESET被觸發時，nRESET_OUT也會觸發，該腳位可以用來重置系統的其他設備。l當系統移除nRESET與nTRST的觸發時，應用處理器也會移除nRESET_OUT的觸發，在過了一段特定的時間後，裝置將試著嘗試由實體位
21、址0x0000 0000開機。l當重置的觸發移除時，應用處理器會讀取BOOT_SEL2:0腳位後嘗試開機，該腳位紀錄由使用者所預先指定類型與寬度的記憶體。3-45電源管理l應用處理器提供四種系統電源管理的模式。支援的模式如下：加速模式(Turbo Mode)l最高效能模式執行模式 (Run Mode)l正常全功能模式閒置模式 (Idle Mode)l核心時脈停止供應，中斷發生後繼續供應。睡眠模式 (Sleep Mode)l低電源模式l不保留處理器的狀態，但持續供應I/O的電源。lRTC、電源管理、與時脈模組繼續供應電源，微處理器其他單元則視狀況停止供電。l睡眠模式注意事項輸入腳位不為浮接(floating)輸出腳位沒有對外部裝置持續驅動輸出腳位沒有透過外部裝置吸取過量的電流電流吸取通常是浮接腳位的現象3-46總結lRISC架構微處理器設計較簡單，晶片較小，耗電量也較小，適合嵌入式系統應用lARM系統晶片為RISC架構微處理器，具有高效能、低耗電的特性，為目前系統晶片中，市佔率最高的晶片lIntel XScale微架構應用處理器與ARM v5TE指令集架構相容，可使用現有的軟硬體工具進行嵌入式系統的開發l提供多種週邊裝置，並可選擇性使用，除提供完整功能外，也增加系統設計的彈性3-47结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！48
