基于ARM核的IntelXScale嵌入式系统.

1、基于 ARM 核的 In tel XScale 嵌入式系统作者：杨波摘要：简要介绍 In tel XScale 的特点以及与 In tel Stron gARM 的区别；重点介绍PXA250 处理器和 PCM-7210 单板计算机的结构、功能和接口特性。关键词：XScale ARM 核 PXA250 PCM-72101 简介In tel XScale 微体系结构提供了一种全新的、高性价比、低功耗且基于 ARMV5TE体系结构的解决方案，支持 16 位 Thumb 指令和 DSP 扩充。基于 XScale 技术开发的微处理器，可PXA250、网络存储设备、骨干网（BackBone）路由器等。In

2、tel 用于手机、便 携式终端（PDA）微处理器芯片就是一款集成了 32 位 In tel XScale 处理器核、多通信信道、LCD 控制器、增强型存储控制器和 PCMCIA/CF 控制器以及通用 I/O 口的高度集成的应 用处理器。In tel XScale 处理器的处理速度是 Intel Stro ngARM 处理速度的两倍，其内部结 构也有了相应的变化：数据 Cache 的容量从 8KB 增加到 32KB ;指令 Cache 的容量从 16KB 增加到 32KB ;微小数据 Cache 的容量从 512B 增加到 2KB ;为了提高指令的执行速度，超级流水线结构由 5 级增至 7 级;

3、新增乘/加法器 MAC和特定的 DSP型协处理器 CPO,以提高对多媒体技术 的支持；动态电源管理，使 XScale 处理器的时钟可达 1GHz、功耗 1.6W，并能达到1200MIPS。XScale 微处理器架构经过专门设计，核心采用了英特尔先进的0.18 yn 工艺技术制造；具备低功耗特性，适用范围从O.lmW1.6W。同时，它的时钟工作频率将接近 1GHz。XScale 与 StrongARM 相比，可大幅降低工作电压并 且获得更高的性能。具体来讲，在目前的Stro ngARM 中，在 1.55V 下可以获得133MHz 的工作频率，在 2.0V 下可以获得 206MHz 的工作频率；而

4、采用 XScale 后，在0.75V 时工作频率达到 150MHz，在 1.0V 时工作频率可以达到 400MHz， 在 1.65V 下工作频率则可高达 800MHz。 超低功率与高性能的组合使 In tel XScale 适用于广泛的互联网接入设备，在因特网的各个环节中，从手持互联网设备到互联 网基础设施产品，IntelXScale 都表现出了令人满意的处理性能。2 PXA250 的结构及特点In tel XScale PXA250 结构框图如图 1 所示。2.1 PXA250 处理器的主要特点(1 高性能低功耗，高性能的 32 位 In tel XScale 处理器内核，工作频率高达 40

5、0MHz ;兼容 ARMV5TE 架构；采用 7 级超级流水线结构；支持多媒体处理技术，采用 40 位累加器和 16 位乘法器，以增强对音频和视 频的解码能力；提供支持同步 Intel StrataFlash 存储器的高性能分帧和分页模式 接口。(2 低功耗多电源管理模式；32KB 数据和 32KB 指令 Cache；2KB 的微小数据 Cache；支持 2.5V 和 3.3V 的存储器。(31/0 扩展100MHz 存储器总线，6 个静态存储空间(16 或 32 位 ROM (SMROM )/Flash/SRAM), 4 个动态存储分区(16 或 32 位 SDRAM );支持 2 个 PC

6、MCIA 或 Compact Flash 槽。(4 外围控制模块16 通道可配置 DMA 控制器；LCD 控制器，独有的支持对快变彩屏的 DMA 方式；920kbps Bluetooth 接口；串行端口( IrDA、I2C、I2S、AC97、3 个 UARTs、SPI 和 SSP)；USB 接口；支持 MMC/SD 卡。(5 时钟控制五种时钟源：32.768kHz 振荡器；3.6864MHz 振荡器;可编程的内核锁相环;95.85MHz 外围固定频率锁相环；147.46MHz 固定频率锁相环。（6 电源管理运行模式（正常处理模式）、Turbo 模式（运行于 400MHZ）、空闲模式（下 电）、

7、睡眠模式（下电）。（7 封装形式17mm 17 mm 256 脚 PBGA 封装。2.2 In tel XScale 内核In tel XScale CPU 内核采用带有一个增强型存储器管道的超级流水线RISC 处理器架构的体系结构。这款新型高性能、低功耗的微构架兼容ARMv5TE ISA 指令集（不支持浮点指令集）。这种微构架在 ARM 核的周围提供了指令与数据存储器 管理单元，指令、数据和微小数据 Cache,写缓冲、全缓冲、挂起缓冲和分支目标 缓冲器，电源管理，性能监控、调试和 JTAG 单元以及协处理器接口， MAC 协处 理器和内核存储总线。超级流水线结构是由整型管道、存储器管道和M

8、AC 管道构成。整型管道包括7 级流水线结构，取指令 1 （分支目标缓冲器）f取指令 2译码f寄存/移位fALU 实现f状态执行f回复；存储器管道除包括整型管道的前 5 级外，后接 3 个高速缓存，数据Cache1、数据 Cache2 和数据回复 Cache,共 8 级流水线结构； MAC 管道是 69 级的流水线结构，包括整型管道的前 4 级和 4 级 MAC 段，以及一个数据回复 Cache,其中 MAC2-4 的选通由数据决定。流水线结构级数越多越能 提高指令的执行速度，使用分支目标缓冲器的目的在于成功的预知分支指令的结果。128 个入口的分支目标缓冲器的每个入口都包含了分支指令的地址、

9、与分支指 令相联系的目标地址以及该分支的执行情况，它由协处理器15 使能。分支目标缓冲器的使用旨在避免超级流水线结构中的分支延迟。PXA250 CPU 的 MM （IMMU 和 DMMU ）均提供了一个 32 项的转换旁路缓 存器（ITLB 和 DTLB ），它们的每一项均可映射存储器中的段、大页和小页。为 了保证内核周期的存取指令和数据，PXA250 包含了 1 个 32KB 的指令 Cache 和 1 个 32KB 的数据Cacha 另外，为了避免数据 Cache 内数据流存取的频繁变化，还 提供了 1 个 2KB 的微小数据 Cacha 指令和数据 Cache 都是具有 32 个入口和

10、32 路 相联的 Cache,每路均包含1 个标志地址，32 字节的高速缓存队列和 1 个有效位， 采用循环方式进行刷新存储。微小数据 Cache 是 1 个具有 32 个入口和 2 路相联的 Cache,同样采用循环方式进行刷新存储。PXA250 内核还提供了 4 个入口的全缓冲和挂起缓冲，用于提升内核性能，与 数据Cache 和微小数据 Cache 协同工作。此外，1 个 8 入口的写缓冲，每个入口可 保存 16字节，它从内核、数据 Cache 或微小数据 Cache 中得到数据，在系统总线 选通前，暂存数据。2.3 系统控制功能PXA250 的系统控制模块提供了实时时钟、看门狗及间隔定时

11、器、功率管理控 制器、中断控制器、复位控制器和 2 个片上振荡器。该系统定时器支持源自 SA- 11x0 处理器的定时器单元， OS 定时器使用 3.6864MHz 振荡器， 包含了 4 个定时匹 配寄存器 （OSMR） 、1 个定时状态寄存器（OSSR）和 1 个定时中断使能寄存器（OIER）。看门狗定时中断可 以通过激活 OS 定时看门狗使能寄存器（OWER）来实现。中断控制器处理的所有中断源，有两个中断类型：中断请求（IRQ ）和快速中 断请求（FIQ）。中断控制器可以根据掩码寄存器的值，允许CPU 被中断或保持预中断。中断控制器中的每一个寄存器都是 1 比特映射，并且每一比特均被预先分

12、 配给不同的中断源。2.4 时钟和电源管理为了达到处理性能和能量消耗之间比例的最优化，用时钟和电源管理器来控制 不同模块的时钟频率并处理不同能量管理操作模式之间的转化。时钟和电源管理器 为每一个外设提供了固定的时钟，并且为 LCD 控制器、存储器控制器和 CPU 提供 了可编程的频率时钟，这些时钟均来自内部锁相环时钟源。时钟管理器还可通过关 闭不用设备的时钟来减少功率损耗。电源管理提供了四种工作模式：Turbo 模式、运行模式、空闲模式和睡眠模式。Turbo 模式下，CPU 核运行在峰值频率，为避免 内核对外部存储器的等待时间，在该模式下，很少对外部存储器进行存取；运行模 式下，CPU核运行于

13、正常标准频率，可以假定内核不断地对外部存储器进行存 取，运行速率的减慢对于性能与功耗的最佳平衡是有利的；在空闲模式下，暂停到 CPU 的时钟，但是使能到外围器件的时钟；睡眠模式下，整个系统将处于最低功 耗状态，要唤醒睡眠状态必须重新启动系统。2.5 存储器和 PCMCIA/CompactFlash 控制模块PXA250 处理器的外部存储器总线接口支持同步动态存储器（ SDRAM ）、同 步和异步分页模式段、页模式闪存、同步掩码只读存储器（SMROM ）、页模式ROM、SRAM、静态段支持可变等待时间的 I/O 设备（VLIO ）、16 位的 PC 卡扩 展存储器和 Compact Flash

14、存储器的类型可通过存储器接口配置寄存器决定。2.6 外围控制模块PXA250 处理器定义了 16 个通道的 DMA 控制器。 它可响应内部和外部设备的 请求，完成数据从主存储器中读出与写入。DMAC 用于外围设备与存储系统之间的数据传输。LCD 控制器提供了支持双扫描无源阵列彩显（DSTN，俗称伪彩）或有源阵列 彩显（TFT， 俗称真彩） 屏的接口， 并支持单色和多色素格式。 它拥有自己独立的 双通道 DMA控制器，两路通道分别用于单面板和双面板显示。最大支持显示分辨 率为 1024X1024像素，推荐最高分辨率为 800600 像素。在无源单色模式下，最 高支持 256 级灰度。对于彩色显示

15、，不管有源还是无源模式，最高均支持 65536 种颜色。LCD 控制器将帧缓存中的像 素编码值，对应 于 16 位宽的 256 个入口的调色板 RAM，根据数据宽度决定彩色 的数量。PXA250 处理器支持的串口包括：基于通用串行总线1.1 版本的 USB 客户服务模块接口，它最高支持 16 个端点外挂，并提供了 1 个 48MHz 的内部时 钟；个通用异步收发口 3 （UART ），最高速率 230Kbps 的全功能 UART （完备 的握手信号），最高速率 921Kbps 蓝牙 UART 和标准 UART ;高速红外通信口（FICP）半双工，速率 4Mbps,执行 4PPM 标准；AC97

16、 控制器支持 AC97 2.0 修 订版本的多媒体数字信号编解码器，AC97 控制器对于立体 PCM 输入输出， Modem 输入输出和单一的麦克风输入都提供了单独的16 位通道；I2S 控制器为数字立体声标准 I2S 多媒体数字信号编解码器提供了串行连接，复用 AC97 控制器 引脚；I2C 总线接口提供了 2 个引脚的通用串行通信端口， 2 个引脚分别用于数据 地址和时钟；另外，提供了 2 个支持 MMC 或 SPI 协议，高达 20Mbps 串行数据传 输的 MMC 卡接口和一个 SSP 接口。SSP 逻辑接口支持 National Microwire 协议、 Texas Instruments 协议、同步串行协议（SSP）和 Motorola SPI 协议，所有这些协 议都用于 A/D 转换、音频和电信多媒体数字信号编解码器和其它满足串行数据传输协议的设备。3 研华最新推出的 XScale 单板计算机 PCM-7210 PCM-7210 是一 款集成In tel XScale低功耗R