32位ARM內(nèi)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(yōu)異性能，討論了它的應用方法。給出了用W90N740芯片降低系統(tǒng)成本的實現(xiàn)方案。

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

Ｗ９０Ｎ７４０是臺灣Ｗｉｎｂｏｎｄ公司開發(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１０／１００Ｍｂ ＭＡＣｓ以太網(wǎng)絡控制器，并采用Ｗｉｎｂｏｎｄ獨家專利的網(wǎng)絡地址轉換加速器ＮＡＴ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ。該器件用硬件方式加速網(wǎng)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(tǒng)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(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。因而在許多應用領域，用該器件設計的系統(tǒng)成本比目前同類產(chǎn)品要低。加上ＡＲＭ公司開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、Ｃ和Ｃ＋＋，其軟件開發(fā)也十分方便。因此，Ｗ９０Ｎ７４０雖不是主流產(chǎn)品，但也是許多網(wǎng)絡電子產(chǎn)品的選擇方案之一。

１?。粒遥腕w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(tài)時，執(zhí)行ＡＲＭ指令集；而當其工作在Ｔｈｕｍｂ狀態(tài)時，則執(zhí)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(tài)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(shù)據(jù)移動指令、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(tài)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(shù)據(jù)類型

ＡＲＭ處理器支持下列數(shù)據(jù)類型：Ｂｙｔｅ(字節(jié))，８位；Ｈａｌｆｗｏｒｄ(半字)，１６位；Ｗｏｒｄ(字，必須與４字節(jié)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(tǒng)（Ｓｙｓｔｅｍ）和未定義（Ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ）。除用戶模式外，其它模式統(tǒng)稱為特權模式。大多數(shù)應用程序可在用戶模式下執(zhí)行。當處理器工作在用戶模式時，正在執(zhí)行的程序不能訪問被保護的系統(tǒng)資源，也不能改變模式，除非發(fā)生異常。因此，開發(fā)中應適當編寫操作系統(tǒng)來控制系統(tǒng)資源的使用。

（３）ＡＲＭ寄存器組織

ＡＲＭ處理器總共有３７個寄存器?其中有３１個３２位的通用寄存器（包括程序計數(shù)器?ＰＣ?）和６個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?在所有處理器模式下都可以訪問當前程序狀態(tài)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(tài)和控制信息。每種異常模式都有一個程序狀態(tài)保存寄存器ＳＰＳＲ。當異常出現(xiàn)時?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，并引起一個事件。比如，外部中斷或試圖執(zhí)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(tài)，以便在異常處理程序完成后，使原來的程序能夠重新執(zhí)行。同一時刻可能出現(xiàn)多個異常。ＡＲＭ支持七種類型的異常。異常出現(xiàn)后，系統(tǒng)將強制從異常類型對應的固定存儲器地址開始執(zhí)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(xiàn)有的存儲器和Ｉ／Ｏ器件來進行各種各樣的存儲系統(tǒng)設計。ＡＲＭ體系結構使用２３２個８位字節(jié)的單一線性地址空間。設計時可將字節(jié)地址作為無符號數(shù)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(tǒng)和大端存儲系統(tǒng)，其映射方式分別如圖１（ａ）、（ｂ）所示。

圖2

２?。祝梗埃危罚矗暗慕Y構特點

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器（Ｉ－Ｃａｃｈｅ）和２ｋＢ 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)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(yōu)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(tǒng)的性能。

Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)含鎖相環(huán)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(nèi)控制器提供的時鐘頻率范圍為３～３０ＭＨｚ。

Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)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(nèi)置有用于實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)模模停量刂破鳌?/P>

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／Ｏ設備。在內(nèi)置 ｃａｃｈｅ失效時，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１０／１００Ｍｂｐｓ以太網(wǎng)ＭＡＣ控制器?ＥＭＣ?是Ｗ９０Ｎ７４０的一大特點。ＭＡＣ控制器主要應用于ＷＡＮ或ＬＡＮ。它內(nèi)有兩個ＭＡＣ控制器，因而可大大增強此芯片在ＷＡＮ端口與ＬＡＮ端口之間的應用性能，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提供有兩個可選擇的接口：媒質獨立接口ＭＩＩ（ Ｍｅｄｉａ Ｉｎｄｅ-ｐｅｎｄｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）和精簡媒質獨立接口ＲＭＩＩ?Ｒｅｄｕｃｅｄ ＭＩＩ??使用時可選擇任一接口，同時結合片外速率為１０／１００Ｍｂｐｓ的ＰＨＹ芯片接口還可以設計多種類型的應用產(chǎn)品。另外，ＥＭＣ支持長幀（長度大于１５１８ 字節(jié)）和短幀（長度小于６４ 字節(jié)）兩種幀結構，而且對外部的ＰＨＹ也具有站點管理功能。

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

基于中斷操作的ＵＡＲＴ模塊具有全設置的ＭＯ-ＤＥＭ控制功能（ＣＴＳ，ＲＴＳ，ＤＳＲ，ＤＴＲ，ＲＩ和ＤＣＤ等），其主要作用是完成來自外圍設備（如ＭＯＤＥＭ等）的串并轉換和來自ＣＰＵ的并串轉換。高級中斷控制器ＡＩＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）具有１８個中斷源，其中包括４個外部中斷源。它們可以靈活地設置成可編程的ＩＲＱ或ＦＩＱ中斷模式，并可對４個外部中斷源進行可編程的邊沿觸發(fā)或優(yōu)先級觸發(fā)。同時，也可對其進行可編程的低使能或高使能。在中斷嵌套時，ＡＩＣ可自動檢測出低優(yōu)先級中斷。

另外，Ｗ９０Ｎ７４０具有兩個帶８ 位優(yōu)先級的定時器和一個可編程的２４位看門狗定時器，這些定時器有短模式、周期模式和插入模式三種工作模式。同時具有２１個可編程Ｉ／Ｏ接口，這些Ｉ／Ｏ接口可設置成多種功能的接口。Ｗ９０Ｎ７４０的ＪＴＡＧ調(diào)試接口支持多種調(diào)試開發(fā)工具。

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３．１ Ｗ９０Ｎ７４０在ＶｏＩＰ路由器用戶板中的應用

在ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ）路由器用戶板的設計中，筆者選用Ｗ９０Ｎ７４０來進行信息包解包，其系統(tǒng)硬件結構如圖３所示。其工作過程如下：

首先將來自用戶接口的語音數(shù)據(jù)經(jīng)過語音處理模塊處理以產(chǎn)生ＰＣＭ語音數(shù)據(jù)，然后將其傳送給ＤＳＰ處理器并由ＤＳＰ對該ＰＣＭ語音數(shù)據(jù)進行回聲抵消、語音壓縮等序列處理，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)絡接收到的語音數(shù)據(jù)包經(jīng)過雙端ＲＡＭ傳送給Ｗ９０Ｎ７４０，由其ＭＡＣ進行解包處理并去除控制信息，而后得到語音壓縮包，經(jīng)ＭＡＣ０口傳送給ＤＳＰ并由ＤＳＰ進行語音解碼等處理后，得到ＰＣＭ語音數(shù)據(jù)送回到語音處理模塊；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為主控設備，ＤＳＰ為從設備，主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制、ＤＳＰ程序的下載和語音數(shù)據(jù)包的傳送等功能。

３．２ Ｗ９０Ｎ７４０在其它領域的應用

由于Ｗ９０Ｎ７４０內(nèi)置有兩個以太網(wǎng) ＭＡＣ和ＵＳＢ 主機以及３２位ＡＲＭ的微控制器，因此，它和Ｗ９９６８４ＣＢＭ或Ｗ９９６８８ＣＢＭ３數(shù)字相機晶片結合可組成為網(wǎng)絡相機。這樣，連上網(wǎng)絡，使用者便可以透過電腦或彩屏手機隨時監(jiān)視遠方場景。

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