arm920t架構(gòu)cpu詳解

　　先來(lái)談一下ARM的發(fā)展史：1978年12月5日，物理學(xué)家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國(guó)劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)供應(yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計(jì)算機(jī)公司。

　　80年代中期，Acorn的一個(gè)小團(tuán)隊(duì)要為他們的下一代計(jì)算機(jī)挑選合適的處理器，根據(jù)他們提供的技術(shù)需求，在當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)上無(wú)法找到合適的處理器，于是Acorn決定自己設(shè)計(jì)一個(gè)處理器（真有魄力）。一個(gè)小團(tuán)隊(duì)僅僅用了18個(gè)月就完成了從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程，這是一臺(tái)RISC指令集的計(jì)算機(jī)，叫做Acorn RISC Machine（簡(jiǎn)稱ARM）。后來(lái)Acorn公司沒(méi)落了，而處理器設(shè)計(jì)部門(mén)被分了出來(lái)，組成了一家新公司。

　　ARM公司主要設(shè)計(jì)ARM系列AISC處理器內(nèi)核，它不生產(chǎn)芯片，只提供IP核。先以一個(gè)例子解釋一下架構(gòu)、核、處理器和芯片：S3C2440，這是一款SoC芯片，注意，它不是cpu，2440和我們熟知的51單片機(jī)有點(diǎn)類似，都屬于嵌入式，嵌入式的發(fā)展到目前經(jīng)歷了三個(gè)階段，分別是SCM、MCU、SoC。51屬于SCM或MCU，而2440就屬于SoC了，先來(lái)看看51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ARM9系列

　　ARM9 系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點(diǎn)：

　?。?5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

　?。?提供 1.1MIPS/MHz 的哈佛結(jié)構(gòu)。

　?。?支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　?。?支持 32 位的高速 AMBA總線接口。

　?。?全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

　?。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　?。?支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

　　ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。

　　ARM9 系列微處理器包含 ARM920T、ARM922T和 ARM940T 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　ARM9E系列

　　ARM9E 系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java

　　應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E 系列微處理器提供了

　　增強(qiáng)的 DSP 處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用 DSP 和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　ARM9E 系列微處理器的主要特點(diǎn)如下：

　?。?支持 DSP 指令集，適合于需要高速數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合。

　?。?5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。

　　－ 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集。

　　－ 支持 32 位的高速 AMBA總線接口。

　?。?支持 VFP9 浮點(diǎn)處理協(xié)處理器。

　?。?全性能的 MMU，支持 Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。

　?。?MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

　?。?支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。

　　－ 主頻最高可達(dá) 300MIPS。

　　ARM9 系列微處理器主要應(yīng)用于下一代無(wú)線設(shè)備、數(shù)字消費(fèi)品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。

　　ARM9E 系列微處理器包含 ARM926EJ-S、ARM946E-S 和 ARM966E-S 三種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　ARM920T的結(jié)構(gòu)與特性

　　三星S3C2440A芯片自稱處理器，但其實(shí)它是采用了ARM公司設(shè)計(jì)的ARM920T CPU加上一些其他組件，然后把它們封裝在一起形成的一個(gè)多功能芯片。這里關(guān)注的是ARM920T CPU，下面就去看一看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　ARM920T CPU結(jié)構(gòu)

　　mini2440開(kāi)發(fā)板采用了S3C2440A芯片，而S3C2440A芯片又采用了ARM公司設(shè)計(jì)的ARM920T CPU。上次研究了計(jì)算平臺(tái)—mini2440開(kāi)發(fā)板。發(fā)現(xiàn)上面有個(gè)叫S3C2440A的黑盒子，并打開(kāi)了它，發(fā)現(xiàn)它里面又有許多黑盒子，并且對(duì)其中一些黑盒子做了簡(jiǎn)要的介紹，如圖3-1所示。另外，為了便于閱讀，把2-4的圖又搬過(guò)來(lái)，筆者覺(jué)得雖然增加篇幅，但是節(jié)省了回去翻書(shū)的時(shí)間。

　　圖就是S3C2440A這個(gè)黑盒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其實(shí)早已看過(guò)，不過(guò)上次我們沒(méi)有繼續(xù)拆開(kāi)它里面的黑盒子。其中有個(gè)非常重要的黑盒子—ARM920T，它才是這次要關(guān)注的重點(diǎn)，下面打開(kāi)它，看看它里面又有什么，如圖3-2所示。

　　ARM920T里面的黑盒子以及功能單元如下：

　　1）JTAG：一種調(diào)試或者測(cè)試芯片的接口，可以通過(guò)JTAG接口訪問(wèn)CPU的內(nèi)部寄存器和掛在總線上的設(shè)備，如Flash、RAM等，我們不必過(guò)多關(guān)注。

　　2）ARM9TMDI：它才是真正運(yùn)行程序的。

　　3）指令、數(shù)據(jù)MMU：包括兩個(gè)C13一起處理內(nèi)存地址映射的。

　　4）指令、數(shù)據(jù)Cache：包括寫(xiě)回PATAG RAM、寫(xiě)緩沖，一起完成高速緩存的功能。

　　5）CP15：這里是用于控制MMU和Cache的，還可以控制別的器件，不同的系統(tǒng)配置下是不同的。

　　6）外部協(xié)處理器接口：ARM920T可以加入多達(dá)15個(gè)協(xié)處理器，如增加一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算處理器等。

　　7）AMBA總線接口：ARM920T內(nèi)部就是通過(guò)它和外部?jī)?nèi)存及其他設(shè)備通信的。

　　不過(guò)不需要把所有的東西都弄得一清二楚。我們主要關(guān)注4個(gè)部分：①CPU內(nèi)核：和ARM920T內(nèi)部的其他部件一起工作，用來(lái)運(yùn)行程序。包括操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。②MMU：映射內(nèi)存，主要用于實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，什么是虛擬內(nèi)存后面會(huì)介紹的。③Cache：緩存內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)，它比內(nèi)存小很多但快很多，把內(nèi)存中的一部分內(nèi)容放在Cache里面，這樣可以加快程序的運(yùn)行速度，后面也會(huì)詳細(xì)介紹的。④CP15：它在ARM920T內(nèi)部稱為協(xié)處理器，在這里是專門(mén)用于控制MMU和Cache的?？梢钥吹紸RM920T還能通過(guò)外部協(xié)處理器接口增加其他協(xié)處理器。

　　CPU內(nèi)核對(duì)應(yīng)于圖3-2中的ARM9TMDI。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都需要它執(zhí)行，所以我們寫(xiě)操作系統(tǒng)內(nèi)核之前，必須先仔細(xì)了解它，以及ARM920T的其他組件。后面會(huì)重點(diǎn)研究ARM920T的程序員模型，即指令集、工作模式、寄存器等。

　　MMU對(duì)應(yīng)于圖3-2中的指令MMU、數(shù)據(jù)MMU。為什么有兩個(gè)MMU，通常情況下一個(gè)MMU不就夠了嗎？是的，大部分CPU確實(shí)只有一個(gè)MMU，然而這里有兩個(gè)，這是因?yàn)锳RM920T內(nèi)部采用了哈佛架構(gòu)。哈佛架構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器架構(gòu)。是一種并行體系架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以獨(dú)立存取，這樣就大大提高了程序的運(yùn)行性能。

　　Cache對(duì)應(yīng)于圖3-2中的指令Cache、數(shù)據(jù)Cache，同樣也是因?yàn)楣鸺軜?gòu)才會(huì)有兩個(gè)Cache。它們都是16KB。關(guān)于Cache的工作機(jī)制，后面會(huì)專門(mén)介紹，現(xiàn)在只要知道它是用來(lái)緩存內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的，速度比內(nèi)存快很多。

　　CP15對(duì)應(yīng)于圖3-2中的CP15，稱為協(xié)處理器。在ARM920T中，CP15控制著MMU和Cache，比如我們要打開(kāi)或者關(guān)閉MMU、改變地址映射關(guān)系、打開(kāi)或者關(guān)閉Cache、鎖定Cache中的內(nèi)容、使Cache中的數(shù)據(jù)變?yōu)闊o(wú)效等。這些功能都將通過(guò)操作CP15協(xié)處理器而達(dá)到