32位ARM內(nèi)核微處理器W90N740及其應(yīng)用

   摘要：在對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，介紹了32位ARM核處理器W90N740的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)異性能，討論了它的應(yīng)用方法。給出了用W90N740芯片降低系統(tǒng)成本的實(shí)現(xiàn)方案。

    關(guān)鍵詞：ARM7TDMI；RISC；W90N740；片上系統(tǒng)；路由器

Ｗ９０Ｎ７４０是臺(tái)灣Ｗｉｎｂｏｎｄ公司開(kāi)發(fā)的基于３２位ＡＲＭ核的高性能、低功耗微處理器。Ｗ９０Ｎ７４０采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ內(nèi)核，內(nèi)建兩個(gè)１０／１００Ｍｂ ＭＡＣｓ以太網(wǎng)絡(luò)控制器，并采用Ｗｉｎｂｏｎｄ獨(dú)家專(zhuān)利的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換加速器ＮＡＴ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ。該器件用硬件方式加速網(wǎng)絡(luò)封包的轉(zhuǎn)換，不僅減少了中央處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也大幅提高了寬頻的整體系統(tǒng)效能。而芯片方式集成的ＵＳＢ控制器則可透過(guò)ＵＳＢ界面連結(jié)各種電腦周邊設(shè)備，以增添產(chǎn)品附加值。此外，Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)部還集成了ＥＢＩ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）控制器、系統(tǒng)管理器、ＧＤＭＡ控制器等。因而在許多應(yīng)用領(lǐng)域，用該器件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本比目前同類(lèi)產(chǎn)品要低。加上ＡＲＭ公司開(kāi)發(fā)環(huán)境支持匯編語(yǔ)言、Ｃ和Ｃ＋＋，其軟件開(kāi)發(fā)也十分方便。因此，Ｗ９０Ｎ７４０雖不是主流產(chǎn)品，但也是許多網(wǎng)絡(luò)電子產(chǎn)品的選擇方案之一。

１　ＡＲＭ體系結(jié)構(gòu)

１．１ ＡＲＭ體系的指令集

ＡＲＭ體系具有ＡＲＭ和Ｔｈｕｍｂ兩種指令集。當(dāng)處理器工作在ＡＲＭ狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行ＡＲＭ指令集；而當(dāng)其工作在Ｔｈｕｍｂ狀態(tài)時(shí)，則執(zhí)行Ｔｈｕｍｂ指令集。

所有ＡＲＭ指令都是３２位長(zhǎng)度。指令以字對(duì)準(zhǔn)方式保存，這樣，ＡＲＭ狀態(tài)指令地址的最低２位總是零。實(shí)際上，一些指令通常使用最低有效位來(lái)判定代碼是轉(zhuǎn)向Ｔｈｕｍｂ代碼還是ＡＲＭ代碼。

    ＡＲＭ指令集主要包括存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令、數(shù)據(jù)移動(dòng)指令、數(shù)據(jù)處理指令、分支指令、協(xié)處理器指令、狀態(tài)寄存器轉(zhuǎn)移指令和異常處理指令等。

所有Ｔｈｕｍｂ指令都是１６位長(zhǎng)度，這些指令可在存儲(chǔ)器中以半字對(duì)準(zhǔn)方式保存。因而，指令的最低有效位在Ｔｈｕｍｂ狀態(tài)下總為零。實(shí)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(shù)據(jù)類(lèi)型

ＡＲＭ處理器支持下列數(shù)據(jù)類(lèi)型：Ｂｙｔｅ(字節(jié))，８位；Ｈａｌｆｗｏｒｄ(半字)，１６位；Ｗｏｒｄ(字，必須與４字節(jié)邊界對(duì)齊)，３２位。

（２）ＡＲＭ處理器模式

ＡＲＭ體系結(jié)構(gòu)支持７種處理器模式：用戶模式(Ｕｓｅｒ)、 快速中斷請(qǐng)求(ＦＩＱ，Ｆａｓｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｒｅｑｕｅｓｔ)、中斷請(qǐng)求(ＩＲＱ，Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ＲｅＱｕｅｓｔ)、管理（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ）、中止（Ａｂｏｒｔ）、系統(tǒng)（Ｓｙｓｔｅｍ）和未定義（Ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ）。除用戶模式外，其它模式統(tǒng)稱(chēng)為特權(quán)模式。大多數(shù)應(yīng)用程序可在用戶模式下執(zhí)行。當(dāng)處理器工作在用戶模式時(shí)，正在執(zhí)行的程序不能訪問(wèn)被保護(hù)的系統(tǒng)資源，也不能改變模式，除非發(fā)生異常。因此，開(kāi)發(fā)中應(yīng)適當(dāng)編寫(xiě)操作系統(tǒng)來(lái)控制系統(tǒng)資源的使用。

（３）ＡＲＭ寄存器組織

ＡＲＭ處理器總共有３７個(gè)寄存器?其中有３１個(gè)３２位的通用寄存器（包括程序計(jì)數(shù)器?ＰＣ?）和６個(gè)３２位的狀態(tài)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(shí)?在所有處理器模式下都可以訪問(wèn)當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器ＣＰＳＲ。而ＣＰＳＲ則包含條件碼標(biāo)志、中斷標(biāo)志位、當(dāng)前處理器模式以及其它狀態(tài)和控制信息。每種異常模式都有一個(gè)程序狀態(tài)保存寄存器ＳＰＳＲ。當(dāng)異常出現(xiàn)時(shí)?ＳＰＳＲ可用于保留ＣＰＳＲ的狀態(tài)。

（４）異常處理

異常通常由內(nèi)部或外部源產(chǎn)生，并引起一個(gè)事件。比如，外部中斷或試圖執(zhí)行未定義指令都會(huì)引起異常。在處理異常之前，必須保留處理器狀態(tài)，以便在異常處理程序完成后，使原來(lái)的程序能夠重新執(zhí)行。同一時(shí)刻可能出現(xiàn)多個(gè)異常。ＡＲＭ支持七種類(lèi)型的異常。異常出現(xiàn)后，系統(tǒng)將強(qiáng)制從異常類(lèi)型對(duì)應(yīng)的固定存儲(chǔ)器地址開(kāi)始執(zhí)行程序。

(５)存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器映射Ｉ／Ｏ

ＡＲＭ體系結(jié)構(gòu)允許使用現(xiàn)有的存儲(chǔ)器和Ｉ／Ｏ器件來(lái)進(jìn)行各種各樣的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ＡＲＭ體系結(jié)構(gòu)使用２３２個(gè)８位字節(jié)的單一線性地址空間。設(shè)計(jì)時(shí)可將字節(jié)地址作為無(wú)符號(hào)數(shù)看待，范圍為０～２３２－１。而將地址空間看作由２３０個(gè)３２位字組成。每個(gè)字的地址都是字對(duì)準(zhǔn)的，故地址可被４整除。其存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)使用了兩種映射方法：小端存儲(chǔ)系統(tǒng)和大端存儲(chǔ)系統(tǒng)，其映射方式分別如圖１（ａ）、（ｂ）所示。

圖2

２　Ｗ９０Ｎ７４０的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Ｗ９０Ｎ７４０的內(nèi)部功能框圖如圖２所示。Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)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(nèi)核內(nèi)置有８ｋＢ的指令高速緩沖存儲(chǔ)器（Ｉ－Ｃａｃｈｅ）和２ｋＢ 數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器（Ｄ－Ｃａｃｈｅ），它們是相同類(lèi)型的存儲(chǔ)器（除容量大小不同外），可與存儲(chǔ)器之間以塊（ｃａｃｈｅ ｌｉｎｅ）為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器具有４字塊大小，當(dāng)其中一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器未命中時(shí)，其４字塊大小的信息必須從外部寄存器中連續(xù)的獲取，其替換算法采用最近最少使用算法(ＬＲＵ, Ｌｅａｓｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ Ｕｓｅｄ)。當(dāng)Ｉ－Ｃａｃｈｅ或Ｄ－Ｃａｃｈｅ被禁用時(shí)，可以通過(guò)Ｃａｃｈｅ 控制寄存器把Ｃａｃｈｅ設(shè)置成片上 ＲＡＭ。另外，Ｗ９０Ｎ７４０還提供了一個(gè)８字的寫(xiě)緩沖器(Ｗｒｉｔｅ－Ｂｕｆｆｅｒ).主要用來(lái)優(yōu)化向主存儲(chǔ)器的寫(xiě)入操作。Ｃａｃｈｅ和寫(xiě)緩沖器的引入大大改善了Ｗ９０Ｎ７４０存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。

Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)含鎖相環(huán)ＰＬＬ，可用于ＣＰＵ和ＵＳＢ 主機(jī)控制器，使用參考頻率為１５ＭＨｚ。ＰＬＬ給其它片內(nèi)控制器提供的時(shí)鐘頻率范圍為３～３０ＭＨｚ。

Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)有ＵＳＢ 主機(jī)控制器，該控制器兼容ＵＳＢ １．１標(biāo)準(zhǔn)，支持低速率（１．５Ｍｂｐｓ）和全速率（１２Ｍｂｐｓ）的ＵＳＢ 設(shè)備。同時(shí)還內(nèi)置有用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)模模停量刂破鳌?/P>

通過(guò)Ｗ９０Ｎ７４０中ＥＢＩ控制器提供的外部總線可訪問(wèn)片外ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ／ＳＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ和Ｉ／Ｏ設(shè)備。在內(nèi)置 ｃａｃｈｅ失效時(shí)，ＥＢＩ控制器仍可獲得與ＣＰＵ核相同的工作頻率以保證其處理速度。具有兩個(gè)１０／１００Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)ＭＡＣ控制器?ＥＭＣ?是Ｗ９０Ｎ７４０的一大特點(diǎn)。ＭＡＣ控制器主要應(yīng)用于ＷＡＮ或ＬＡＮ。它內(nèi)有兩個(gè)ＭＡＣ控制器，因而可大大增強(qiáng)此芯片在ＷＡＮ端口與ＬＡＮ端口之間的應(yīng)用性能，降低系統(tǒng)成本。ＥＭＣ采取的工作方式是半／全雙工方式，每個(gè)ＥＭＣ除包括ＩＥＥＥ８０２．３以太網(wǎng)協(xié)議引擎外，還含有ＤＭＡ控制器和收／發(fā)ＦＩＦＯ。ＥＭＣ提供有兩個(gè)可選擇的接口：媒質(zhì)獨(dú)立接口ＭＩＩ（ Ｍｅｄｉａ Ｉｎｄｅ-ｐｅｎｄｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）和精簡(jiǎn)媒質(zhì)獨(dú)立接口ＲＭＩＩ?Ｒｅｄｕｃｅｄ ＭＩＩ??使用時(shí)可選擇任一接口，同時(shí)結(jié)合片外速率為１０／１００Ｍｂｐｓ的ＰＨＹ芯片接口還可以設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的應(yīng)用產(chǎn)品。另外，ＥＭＣ支持長(zhǎng)幀（長(zhǎng)度大于１５１８ 字節(jié)）和短幀（長(zhǎng)度小于６４ 字節(jié)）兩種幀結(jié)構(gòu)，而且對(duì)外部的ＰＨＹ也具有站點(diǎn)管理功能。

ＮＡＴ加速器 ?Ｐａｔｅｎｔ Ｐｅｎｄｉｎｇ?主要用來(lái)提供硬件加速功能，其目的是加快端口和ＩＰ地址的查尋及網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)移，其中包括ＭＡＣ地址的轉(zhuǎn)移。同時(shí)，ＮＡＴ加速器還可提供６４項(xiàng)地址轉(zhuǎn)移列表。Ｗ９０Ｎ７４０有兩個(gè)通道可用于通用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)ＧＤＭＡ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ）。在ＣＰＵ不干預(yù)的情況下，ＧＭＤＡ控制器可直接控制以下三種形式的數(shù)據(jù)傳輸：即存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間、存儲(chǔ)器至Ｉ／Ｏ之間以及Ｉ／Ｏ至存儲(chǔ)器之間。

基于中斷操作的ＵＡＲＴ模塊具有全設(shè)置的ＭＯ-ＤＥＭ控制功能（ＣＴＳ，ＲＴＳ，ＤＳＲ，ＤＴＲ，ＲＩ和ＤＣＤ等），其主要作用是完成來(lái)自外圍設(shè)備（如ＭＯＤＥＭ等）的串并轉(zhuǎn)換和來(lái)自ＣＰＵ的并串轉(zhuǎn)換。高級(jí)中斷控制器ＡＩＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）具有１８?jìng)€(gè)中斷源，其中包括４個(gè)外部中斷源。它們可以靈活地設(shè)置成可編程的ＩＲＱ或ＦＩＱ中斷模式，并可對(duì)４個(gè)外部中斷源進(jìn)行可編程的邊沿觸發(fā)或優(yōu)先級(jí)觸發(fā)。同時(shí)，也可對(duì)其進(jìn)行可編程的低使能或高使能。在中斷嵌套時(shí)，ＡＩＣ可自動(dòng)檢測(cè)出低優(yōu)先級(jí)中斷。

另外，Ｗ９０Ｎ７４０具有兩個(gè)帶８ 位優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器和一個(gè)可編程的２４位看門(mén)狗定時(shí)器，這些定時(shí)器有短模式、周期模式和插入模式三種工作模式。同時(shí)具有２１個(gè)可編程Ｉ／Ｏ接口，這些Ｉ／Ｏ接口可設(shè)置成多種功能的接口。Ｗ９０Ｎ７４０的ＪＴＡＧ調(diào)試接口支持多種調(diào)試開(kāi)發(fā)工具。

３?。祝梗埃危罚矗暗膽?yīng)用

３．１ Ｗ９０Ｎ７４０在ＶｏＩＰ路由器用戶板中的應(yīng)用

在ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ）路由器用戶板的設(shè)計(jì)中，筆者選用Ｗ９０Ｎ７４０來(lái)進(jìn)行信息包解包，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖３所示。其工作過(guò)程如下：

首先將來(lái)自用戶接口的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)語(yǔ)音處理模塊處理以產(chǎn)生ＰＣＭ語(yǔ)音數(shù)據(jù)，然后將其傳送給ＤＳＰ處理器并由ＤＳＰ對(duì)該ＰＣＭ語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行回聲抵消、語(yǔ)音壓縮等序列處理，接著由Ｗ９０Ｎ７４０封裝控制信息打包，再由ＵＡＲＴ口傳送給雙端口ＲＡＭ，最后送給ＶｏＩＰ路由器主板。與此相反，由路由器主板把從網(wǎng)絡(luò)接收到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)雙端ＲＡＭ傳送給Ｗ９０Ｎ７４０，由其ＭＡＣ進(jìn)行解包處理并去除控制信息，而后得到語(yǔ)音壓縮包，經(jīng)ＭＡＣ０口傳送給ＤＳＰ并由ＤＳＰ進(jìn)行語(yǔ)音解碼等處理后，得到ＰＣＭ語(yǔ)音數(shù)據(jù)送回到語(yǔ)音處理模塊；最后由用戶接口送給用戶端。這里，Ｗ９０Ｎ７４０與ＤＳＰ芯片之間采用的工作方式是主從方式，ＣＰＵ為主控設(shè)備，ＤＳＰ為從設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制、ＤＳＰ程序的下載和語(yǔ)音數(shù)據(jù)包的傳送等功能。

３．２ Ｗ９０Ｎ７４０在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

由于Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)置有兩個(gè)以太網(wǎng) ＭＡＣ和ＵＳＢ 主機(jī)以及３２位ＡＲＭ的微控制器，因此，它和Ｗ９９６８４ＣＢＭ或Ｗ９９６８８ＣＢＭ３數(shù)字相機(jī)晶片結(jié)合可組成為網(wǎng)絡(luò)相機(jī)。這樣，連上網(wǎng)絡(luò)，使用者便可以透過(guò)電腦或彩屏手機(jī)隨時(shí)監(jiān)視遠(yuǎn)方場(chǎng)景。

Ｗ９０Ｎ７４０在稅控機(jī)、快速閃存、打印機(jī)伺服器、無(wú)線接入點(diǎn)、用戶網(wǎng)關(guān)、ＧＰＳ、局域網(wǎng)監(jiān)控等系統(tǒng)無(wú)疑將具有廣泛的用途。