第6章ARM Cortex-A8处理器(2014年4月1日)

1、共35页1 第第6 6章章 ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8处理器处理器 1 1学时学时 本章的主要内容本章的主要内容 1 1、Cortex-A8Cortex-A8处理器处理器 技术特点技术特点； 2 2、Cortex-A8Cortex-A8内部内部 功能及特点功能及特点； 3 3、Cortex-A8Cortex-A8内核工作模式内核工作模式； 4 4、Cortex-A8Cortex-A8存储系统。存储系统。 共35页2 本章教学要求本章教学要求 介于介于后期课程后期课程及及实验平台实验平台采用的采用的 是基于是基于 Cortex-A8Cortex-A8 处理器，本章主处理

2、器，本章主 要讲述该处理器的要讲述该处理器的 特点特点 和和 功能功能。 要求大家了解这些内容。要求大家了解这些内容。 共35页3 6.1 6.1 ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8 处理器技术特点处理器技术特点 ARM Cortex-A8 ARM Cortex-A8处理器是一款适用于处理器是一款适用于 复杂操作系统复杂操作系统 及及 用户应用用户应用 的应用处理的应用处理 器，支持器，支持 智能能源管理智能能源管理（Intelligent Intelligent Energy MangerEnergy Manger，IEMIEM ）技术的）技术的ARM ARM Artisa

3、nArtisan库库及及先进的泄漏控制技术先进的泄漏控制技术，使得，使得 Cortex-A8Cortex-A8处理器实现了处理器实现了 非凡的速度非凡的速度 和和 功耗效率功耗效率。 共35页4 在在 65nm65nm 工艺下，工艺下，ARM Cortex-A8ARM Cortex-A8处处 理器的功耗不到理器的功耗不到 300mW300mW，能够提供高性能，能够提供高性能 和低功耗。它和低功耗。它 第一次第一次 为低费用、高容量为低费用、高容量 的产品带来了的产品带来了 台式机级别的性能台式机级别的性能。 Cortex-A8 Cortex-A8 处理器是处理器是第一款第一款基于下一基于下一

4、代代 ARMv7ARMv7 架构的应用处理器，使用了能架构的应用处理器，使用了能 够带来够带来更高性能更高性能、更低功耗更低功耗和和更高代码密更高代码密 度度的的Thumb-2Thumb-2技术技术。 共35页5 它首次采用了强大的它首次采用了强大的 NEONNEON 信号处理信号处理 扩展集，为扩展集，为 H.264 H.264 和和 MP3MP3 等媒体编解码等媒体编解码 提供加速。提供加速。 Cortex-A8 Cortex-A8 的解决方案还包括的解决方案还包括 Jazelle-RCTjavaJazelle-RCTjava 加速技术，对加速技术，对实时实时 （JTTJTT）和）和动态调

5、整编译动态调整编译（DACDAC）提供最）提供最 优化，同时优化，同时减少内存减少内存占用空间高达占用空间高达3 3倍倍。 NEON NEON 技术可加速多媒体和信号处理算法（如技术可加速多媒体和信号处理算法（如 视频编码视频编码/ /解码、解码、2D/3D 2D/3D 图形、游戏、音频和图形、游戏、音频和 语音处理、图像处理技术、电话和声音合语音处理、图像处理技术、电话和声音合 成），其性能至少为成），其性能至少为 ARMv5 ARMv5 性能的性能的 3 3 倍，倍， 为为 ARMv6ARMv6 SIMD SIMD 性能的性能的 2 2 倍。倍。 共35页6 该处理器配置了先进的该处理器配

6、置了先进的超标量体系结超标量体系结 构流水线构流水线，能够，能够同时执行多条指令同时执行多条指令。 处理器集成了一个可调尺寸的处理器集成了一个可调尺寸的二级二级 高速缓冲存储器高速缓冲存储器，能够同高速的，能够同高速的 16KB 16KB 或者或者 32KB32KB 一级高速缓冲存储器一级高速缓冲存储器一起工一起工 作，从而达到作，从而达到最快的读取速度最快的读取速度和和最大的最大的 吞吐量吞吐量。新处理器还配置了用于。新处理器还配置了用于安全交安全交 易易和和数字版权管理数字版权管理的的 Trust ZoneTrust Zone 技术。技术。 1313级级 共35页7 Cortex-A8Co

7、rtex-A8处理器使用了先进的处理器使用了先进的 分支预测技术分支预测技术，并且具有专用的，并且具有专用的 NEONNEON整型和浮点型整型和浮点型 流水线流水线进行进行媒体媒体 和信号处理和信号处理。在使用小于。在使用小于 4mm4mm2 2 的硅 的硅 片及低功耗的片及低功耗的 65nm 65nm 工艺情况下，工艺情况下， Cortex-A8Cortex-A8处理器的运行频率将高于处理器的运行频率将高于 600MHz600MHz（不包括（不包括NEONNEON追踪技术和二级追踪技术和二级 高速缓冲存储器）。高速缓冲存储器）。 共35页8 在高性能的在高性能的 90nm90nm 和和 65

8、nm65nm 工艺下，工艺下， Cortex-A8Cortex-A8处理器运行频率最高可达处理器运行频率最高可达 1GHz1GHz，能够满足高性能消费产品设计的，能够满足高性能消费产品设计的 需要。需要。 共35页9 6.26.2 Cortex-A8 Cortex-A8 内部功能及特点内部功能及特点 Cortex-A8 Cortex-A8 处理器是一款处理器是一款高性能高性能、低低 功耗功耗的处理器芯片，并且支持的处理器芯片，并且支持CacheCache、虚、虚 拟存取，它的特性如下：拟存取，它的特性如下： （1 1）完全执行）完全执行 V7-A V7-A 体系指令集；体系指令集； （2 2）

9、可配置）可配置 6464位位 或或 128128位位 AMBA AMBA 高速高速 总线接口总线接口 AXIAXI； （3 3）具有一个集成的整型流水线；）具有一个集成的整型流水线； Advanced Microcontroller Bus Architecture Advanced eXtensible Interface 共35页10 （4 4）具有一个）具有一个 NEONNEON 技术下执行技术下执行 SIMD/VFP SIMD/VFP 的流水线；的流水线； （5 5）支持动态分支预取，全局历史缓存，）支持动态分支预取，全局历史缓存， 8 8入口返回栈；入口返回栈； （6 6）具有独立的

10、数据）具有独立的数据/ /指令指令MMUMMU； （7 7）16KB/32KB16KB/32KB可配置可配置1 1级级CacheCache； （8 8）具有带）具有带 奇偶校验奇偶校验 及及 ECCECC校验校验 的的2 2 级级CacheCache； Single Instruction Single Instruction Multiple Data Multiple Data 单指令多重数单指令多重数 据据/ VFP / VFP 提供大多数适用于浮提供大多数适用于浮 点运算的应用点运算的应用 共35页11 （9 9）支持）支持 ETMETM 的非侵入式调试；的非侵入式调试； （1010）

11、具有静态）具有静态/ /动态电源管理功能。动态电源管理功能。 ARMv7ARMv7体系指令集方面表现如下特点：体系指令集方面表现如下特点： （1 1）支持）支持ARN Thumb-2ARN Thumb-2高密度指令集；高密度指令集； （2 2）使用）使用ThumbEEThumbEE，执行环境加速；，执行环境加速； （3 3）完全扩展体系加强了安全应用的可）完全扩展体系加强了安全应用的可 靠性；靠性； 嵌入式跟踪宏单元嵌入式跟踪宏单元 共35页12 （4 4）先进的）先进的 SIMD SIMD 体系技术用于加速多体系技术用于加速多 媒体应用；媒体应用； （5 5）支持）支持 VFPVFP 第三代

12、向量浮点运算。第三代向量浮点运算。 共35页13 6.3 6.3 Cortex-A8Cortex-A8 内核工作模式内核工作模式 Cortex-A8Cortex-A8 基于基于 ARMv7-AARMv7-A 架构，架构， 共有共有 8 8 种工作模式：种工作模式： （1 1）用户模式（）用户模式（UserUser） 简称简称 UsrUsr，正常程序执行模式，大部，正常程序执行模式，大部 分任务执行在这种模式下；分任务执行在这种模式下； （2 2）快速中断模式（）快速中断模式（FIQFIQ） 简称简称 FiqFiq，当一个，当一个高优先级高优先级（fastfast） 中断产生时将会进入这种模式，

13、一般用于中断产生时将会进入这种模式，一般用于 高速数据传输和通道处理高速数据传输和通道处理； 共35页14 （3 3）外部中断模式（）外部中断模式（IRQIRQ） 简称简称 IrqIrq，当一个，当一个低优先级低优先级（normalnormal） 中断产生时将会进入这种模式，一般用于中断产生时将会进入这种模式，一般用于 通常的中断处理通常的中断处理； （4 4）特权模式（）特权模式（SupervisorSupervisor） 简称简称 SvcSvc，当，当 复位复位 或或 软中断指令软中断指令 执行时进入这种模式，是一种供执行时进入这种模式，是一种供 操作系操作系 统统 使用的保护模式；使用的

14、保护模式； 共35页15 （5 5）数据访问终止模式（）数据访问终止模式（AbortAbort） 简称简称 AbtAbt，当存取异常时将会进入这，当存取异常时将会进入这 种模式，用于种模式，用于 虚拟存储虚拟存储 或或 存储保护存储保护； （6 6）未定义指令中止模式（）未定义指令中止模式（UndefUndef） 简称简称 UndUnd，当执行未定义指令时进入，当执行未定义指令时进入 这种模式，有时用于通过这种模式，有时用于通过 软件仿真协处软件仿真协处 理器硬件理器硬件 的工作方式；的工作方式； 共35页16 （7 7）系统模式（）系统模式（SystemSystem） 简称简称 SysSys

15、，使用和，使用和 User User 模式相同寄模式相同寄 存器集的模式，用于运行特权级操作系统存器集的模式，用于运行特权级操作系统 任务；任务； （8 8）监控模式（）监控模式（MonitorMonitor） 简称简称 MonMon，可以在安全模式与非安全，可以在安全模式与非安全 模式之间进行转换。模式之间进行转换。 共35页17 除除 用户模式用户模式 外的其它外的其它 7 7种种 处理器处理器 模式称为模式称为 特权模式特权模式（Privileged Privileged ModesModes）。在特权模式下，程序可以访问）。在特权模式下，程序可以访问 所有的系统资源所有的系统资源，也可

16、以任意的进行处理，也可以任意的进行处理 器模式器模式切换切换。其中以下。其中以下 6 6种种 模式称为模式称为 异异 常模式常模式： （1 1）快速中断模式（）快速中断模式（FIQFIQ） （2 2）外部中断模式（）外部中断模式（IRQIRQ） （3 3）特权模式（）特权模式（SuperviorSupervior） 共35页18 （4 4）数据访问中止模式（）数据访问中止模式（AbortAbort） （5 5）未定义指令中止模式（）未定义指令中止模式（UndefUndef） （6 6）监控模式（）监控模式（MonitorMonitor） 处理器模式可以通过软件控制进行处理器模式可以通过软件控制

17、进行 切换，也可以通过外部中断或异常处理切换，也可以通过外部中断或异常处理 过程进行切换。过程进行切换。 共35页19 大多数的大多数的 用户程序用户程序 运行在运行在 用户模用户模 式式 下。当处理器工作在用户模式时，应下。当处理器工作在用户模式时，应 用程序用程序 不能够访问不能够访问 受操作系统保护的受操作系统保护的 一些系统资源，应用程序也一些系统资源，应用程序也 不能直接不能直接 进行处理器模式切换。进行处理器模式切换。 当需要进行处理器模式当需要进行处理器模式 切换切换 时，应时，应 用程序可以产生用程序可以产生 异常处理异常处理，在异常处理，在异常处理 过程中进行处理器模式切换。

18、过程中进行处理器模式切换。这种体系这种体系 结构可以使操作系统控制整个系统资源结构可以使操作系统控制整个系统资源 的使用。的使用。 共35页20 当应用程序发生当应用程序发生 异常中断时异常中断时，处理，处理 器进入相应的异常模式。在器进入相应的异常模式。在 每一种异常每一种异常 模式模式 中都有中都有 一组专用寄存器一组专用寄存器 以供相应以供相应 的异常处理程序使用，这样就可以保证的异常处理程序使用，这样就可以保证 在进入异常模式时用户模式下的寄存器在进入异常模式时用户模式下的寄存器 （保存程序运行状态）（保存程序运行状态）不被破坏不被破坏。 共35页21 6.4 6.4 Cortex-A

19、8Cortex-A8 存储系统存储系统 ARM ARM 存储系统有非常灵活的体系结存储系统有非常灵活的体系结 构，可以适应不同的嵌入式应用系统的构，可以适应不同的嵌入式应用系统的 需要。需要。ARM ARM 存储器系统可以使用简单的存储器系统可以使用简单的 平板式地址映射机制平板式地址映射机制（就像一些简单的（就像一些简单的 单片机一样，单片机一样，地址空间的分配方式是固地址空间的分配方式是固 定的，系统中各部分都使用物理地址定的，系统中各部分都使用物理地址），）， 也可以使用其他技术提供功能更为强大也可以使用其他技术提供功能更为强大 的存储系统。的存储系统。 共35页22 这些强大的技术有：

20、这些强大的技术有： （1 1）系统可能提供多种类型的存储器件，）系统可能提供多种类型的存储器件， 如：如：FlashFlash、ROMROM、SRAMSRAM； （2 2）CacheCache技术；技术； （3 3）写缓存技术（）写缓存技术（Write BuffersWrite Buffers）；）； （4 4）虚拟内存和）虚拟内存和I/OI/O地址映射技术。地址映射技术。 共35页23 （1 1）使用）使用CacheCache，缩小处理器和存储系统，缩小处理器和存储系统 速度差别，从而提高系统的整体性能；速度差别，从而提高系统的整体性能； （2 2）使用内存映射技术实现虚拟空间到）使用内存映

21、射技术实现虚拟空间到 物理空间的映射。物理空间的映射。RomRom、FlashFlash与与 SDRAMSDRAM 速度问题；速度问题； （3 3）引入存储保护机制，增强系统的安）引入存储保护机制，增强系统的安 全性；全性； 大多数的系统通过下面的大多数的系统通过下面的方法之一方法之一可可 实现对实现对复杂存储系统复杂存储系统的管理。的管理。 共35页24 （4 4）引入一些机制保证将）引入一些机制保证将 I/O I/O 操作映射操作映射 成内存操作后，各种成内存操作后，各种 I/O I/O 操作能够得到操作能够得到 正确的结果。正确的结果。 在在 ARMARM 系统中，要实现对存储系统系统中

22、，要实现对存储系统 的管理通常使用的管理通常使用 协处理器协处理器CP15CP15，它通常，它通常 也被称也被称 为系统控制协处理器（为系统控制协处理器（System System Control CoprocessorControl Coprocessor）。 共35页25 ARM ARM 的存储器系统是由多级构成的，的存储器系统是由多级构成的， 可以分为可以分为内核级内核级、芯片级、芯片级、板卡级板卡级、外设外设 级级，如下图所示：，如下图所示： 紧耦合内存紧耦合内存(TCM: Tightly (TCM: Tightly Coupled Memories)Coupled Memories)

23、。 共35页26 6.4.1 6.4.1 协处理器（协处理器（CP15CP15） ARM ARM 处理器支持处理器支持 16 16 个协处理器。在个协处理器。在 程序执行过程中，每个协处理器忽略属于程序执行过程中，每个协处理器忽略属于 ARMARM处理器和其它协处理器的指令。处理器和其它协处理器的指令。 当一个协处理器硬件不能执行属于它当一个协处理器硬件不能执行属于它 的协处理器指令时，将产生一个未定义指的协处理器指令时，将产生一个未定义指 令异常中断，在该异常中断处理程序中，令异常中断，在该异常中断处理程序中， 可以通过软件模拟该硬件的操作。可以通过软件模拟该硬件的操作。 共35页27 除了

24、除了CP15CP15外，在具体的各种存储管理外，在具体的各种存储管理 机制中可能还会用到其它一些技术，如在机制中可能还会用到其它一些技术，如在 MMUMMU中除了中除了CP15CP15外，还使用了页表技术等。外，还使用了页表技术等。 在一些没有标准存储管理的系统中，在一些没有标准存储管理的系统中， CP15CP15是不存在的。在这种情况下，针对是不存在的。在这种情况下，针对 CP15CP15的操作指令将被视为未定义指令，指的操作指令将被视为未定义指令，指 令的执行结果不可预知。令的执行结果不可预知。 CP15CP15 包含包含 1616 个个 3232 位寄存器，其位寄存器，其 编号为编号为

25、015015。 共35页28 实际上对于某些编号的寄存器可能对实际上对于某些编号的寄存器可能对 应应 多个多个 物理寄存器，在指令中指定特定物理寄存器，在指令中指定特定 的的 标志位标志位 来区分这些物理寄存器。来区分这些物理寄存器。 CP15CP15 中的寄存器可能是只读的，也中的寄存器可能是只读的，也 可能是只写的，还有一些是可读写的。在可能是只写的，还有一些是可读写的。在 对协处理器寄存器进行操作时，需要注意对协处理器寄存器进行操作时，需要注意 以下几个问题：以下几个问题： （1 1）寄存器的访问类型（只读）寄存器的访问类型（只读/ /只写只写/ /可可 读可写）；读可写）； 共35页2

26、9 （2 2）不同的访问引发不同的功能；）不同的访问引发不同的功能； （3 3）相同编号的寄存器是否对应不同的）相同编号的寄存器是否对应不同的 物理寄存器；物理寄存器； （4 4）寄存器的具体作用。）寄存器的具体作用。 共35页30 6.4.2 6.4.2 存储管理单元（存储管理单元（MMUMMU） 在创建多任务嵌入式系统时，最好在创建多任务嵌入式系统时，最好 用一个简单的方式来编写、装载及运行用一个简单的方式来编写、装载及运行 各自独立的任务。各自独立的任务。 目前目前 大多数的嵌入式系统大多数的嵌入式系统 不再使用不再使用 自己定制的控制系统，而是使用操作系自己定制的控制系统，而是使用操作系 统来简化这个过程。统来简化这个过程。较高级的操作系统较高级的操作系统 采用采用 基于硬件的存储管理单元（基于硬件的存储管理单元（MMU） 来实现上述操作。来实现上述操作。 共35页31 MMU MMU 提供的一个关键服务是使各个任提供的一个关键服务是使各个任 务作为独立的程序在自己的私有存储空间务作为独立的程序在自己的私有存储空间 中运行。在带中运行。在带 MMUMMU 的操作系统控制下，的操作系统控制下， 运行的任务无需知道其他与之无关的任务运行的任务无需知道其他与之无关的任务 的存储需求情况，这样就简化了各个任务的存储需求情况，这样就简化了各个任务 的设计。的设计。