32位ARM內核微處理器W90N740及其應用

32位ARM內核微處理器W90N740及其應用

摘要：在對ARM體系結構進行分析的基礎上，介紹了32位ARM核處理器W90N740的結構特點和優異性能，討論了它的應用方法。給出了用W90N740芯片降低系統成本的實現方案。

Ｗ９０Ｎ７４０是臺灣Ｗｉｎｂｏｎｄ公司開發的基于３２位ＡＲＭ核的高性能、低功耗微處理器。Ｗ９０Ｎ７４０采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ內核，內建兩個１０／１００Ｍｂ ＭＡＣｓ以太網絡控制器，并采用Ｗｉｎｂｏｎｄ獨家專利的網絡地址轉換加速器ＮＡＴ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ。該器件用硬件方式加速網絡封包的轉換，不僅減少了中央處理器的負擔，同時也大幅提高了寬頻的整體系統效能。而芯片方式集成的ＵＳＢ控制器則可透過ＵＳＢ界面連結各種電腦周邊設備，以增添產品附加值。此外，Ｗ９０Ｎ７４０內部還集成了ＥＢＩ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）控制器、系統管理器、ＧＤＭＡ控制器等。因而在許多應用領域，用該器件設計的系統成本比目前同類產品要低。加上ＡＲＭ公司開發環境支持匯編語言、Ｃ和Ｃ＋＋，其軟件開發也十分方便。因此，Ｗ９０Ｎ７４０雖不是主流產品，但也是許多網絡電子產品的選擇方案之一。

１　ＡＲＭ體系結構

１．１ ＡＲＭ體系的指令集

ＡＲＭ體系具有ＡＲＭ和Ｔｈｕｍｂ兩種指令集。當處理器工作在ＡＲＭ狀態時，執行ＡＲＭ指令集；而當其工作在Ｔｈｕｍｂ狀態時，則執行Ｔｈｕｍｂ指令集。

所有ＡＲＭ指令都是３２位長度。指令以字對準方式保存，這樣，ＡＲＭ狀態指令地址的最低２位總是零。實際上，一些指令通常使用最低有效位來判定代碼是轉向Ｔｈｕｍｂ代碼還是ＡＲＭ代碼。

ＡＲＭ指令集主要包括存儲器訪問指令、數據移動指令、數據處理指令、分支指令、協處理器指令、狀態寄存器轉移指令和異常處理指令等。

所有Ｔｈｕｍｂ指令都是１６位長度，這些指令可在存儲器中以半字對準方式保存。因而，指令的最低有效位在Ｔｈｕｍｂ狀態下總為零。實際上，Ｔｈｕｍｂ指令集是３２位ＡＲＭ指令集的功能子集。

１．２ ＡＲＭ體系的編程模型

（１）ＡＲＭ支持的數據類型

ＡＲＭ處理器支持下列數據類型：Ｂｙｔｅ(字節)，８位；Ｈａｌｆｗｏｒｄ(半字)，１６位；Ｗｏｒｄ(字，必須與４字節邊界對齊)，３２位。

（２）ＡＲＭ處理器模式

ＡＲＭ體系結構支持７種處理器模式：用戶模式(Ｕｓｅｒ)、 快速中斷請求(ＦＩＱ，Ｆａｓｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｒｅｑｕｅｓｔ)、中斷請求(ＩＲＱ，Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ＲｅＱｕｅｓｔ)、管理（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ）、中止（Ａｂｏｒｔ）、系統（Ｓｙｓｔｅｍ）和未定義（Ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ）。除用戶模式外，其它模式統稱為特權模式。大多數應用程序可在用戶模式下執行。當處理器工作在用戶模式時，正在執行的程序不能訪問被保護的系統資源，也不能改變模式，除非發生異常。因此，開發中應適當編寫操作系統來控制系統資源的使用。

（３）ＡＲＭ寄存器組織

ＡＲＭ處理器總共有３７個寄存器?其中有３１個３２位的通用寄存器（包括程序計數器?ＰＣ?）和６個３２位的狀態寄存器（但是只使用了其中的１２位）。該處理器將寄存器安排成部分重疊的組，每種處理器模式使用不同的寄存器組。同時?在所有處理器模式下都可以訪問當前程序狀態寄存器ＣＰＳＲ。而ＣＰＳＲ則包含條件碼標志、中斷標志位、當前處理器模式以及其它狀態和控制信息。每種異常模式都有一個程序狀態保存寄存器ＳＰＳＲ。當異常出現時?ＳＰＳＲ可用于保留ＣＰＳＲ的狀態。

（４）異常處理

異常通常由內部或外部源產生，并引起一個事件。比如，外部中斷或試圖執行未定義指令都會引起異常。在處理異常之前，必須保留處理器狀態，以便在異常處理程序完成后，使原來的程序能夠重新執行。同一時刻可能出現多個異常。ＡＲＭ支持七種類型的異常。異常出現后，系統將強制從異常類型對應的固定存儲器地址開始執行程序。

(５)存儲器和存儲器映射Ｉ／Ｏ

ＡＲＭ體系結構允許使用現有的存儲器和Ｉ／Ｏ器件來進行各種各樣的存儲系統設計。ＡＲＭ體系結構使用２３２個８位字節的單一線性地址空間。設計時可將字節地址作為無符號數看待，范圍為０～２３２－１。而將地址空間看作由２３０個３２位字組成。每個字的地址都是字對準的，故地址可被４整除。其存儲器的存儲使用了兩種映射方法：小端存儲系統和大端存儲系統，其映射方式分別如圖１（ａ）、（ｂ）所示。

圖2

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Ｗ９０Ｎ７４０的內部功能框圖如圖２所示。Ｗ９０Ｎ７４０內核為８０ＭＨｚ的ＡＲＭ７ＴＤＭＩ ３２位處理器，可支持大／小模式?Ｂｉｇ／Ｌｉｔｔｌｅ－Ｅｎｄｉａｎ ｍｏｄｅ?的工作方式。該內核內置有８ｋＢ的指令高速緩沖存儲器（Ｉ－Ｃａｃｈｅ）和２ｋＢ 數據高速緩沖存儲器（Ｄ－Ｃａｃｈｅ），它們是相同類型的存儲器（除容量大小不同外），可與存儲器之間以塊（ｃａｃｈｅ ｌｉｎｅ）為單位進行數據交換。每個高速緩沖存儲器具有４字塊大小，當其中一個高速緩沖存儲器未命中時，其４字塊大小的信息必須從外部寄存器中連續的獲取，其替換算法采用最近最少使用算法(ＬＲＵ, Ｌｅａｓｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ Ｕｓｅｄ)。當Ｉ－Ｃａｃｈｅ或Ｄ－Ｃａｃｈｅ被禁用時，可以通過Ｃａｃｈｅ 控制寄存器把Ｃａｃｈｅ設置成片上 ＲＡＭ。另外，Ｗ９０Ｎ７４０還提供了一個８字的寫緩沖器(Ｗｒｉｔｅ－Ｂｕｆｆｅｒ).主要用來優化向主存儲器的寫入操作。Ｃａｃｈｅ和寫緩沖器的引入大大改善了Ｗ９０Ｎ７４０存儲系統的性能。

Ｗ９０Ｎ７４０內含鎖相環ＰＬＬ，可用于ＣＰＵ和ＵＳＢ 主機控制器，使用參考頻率為１５ＭＨｚ。ＰＬＬ給其它片內控制器提供的時鐘頻率范圍為３～３０ＭＨｚ。

Ｗ９０Ｎ７４０內有ＵＳＢ 主機控制器，該控制器兼容ＵＳＢ １．１標準，支持低速率（１．５Ｍｂｐｓ）和全速率（１２Ｍｂｐｓ）的ＵＳＢ 設備。同時還內置有用于實時數據傳輸的ＤＭＡ控制器。

通過Ｗ９０Ｎ７４０中ＥＢＩ控制器提供的外部總線可訪問片外ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ／ＳＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ和Ｉ

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