Thumb-ориентированное ядро ARM7TDMI и его развитие

Thumb-ориентированное ядро ARM7TDMI и его развитие

Thumb-ориентированное ядро ARM7TDMI и его развитие

Впервые технология Thumb была встроена в ядро ARM7 еще в 1995 году. Адаптированное под технологию Thumb (Thumb-ориентированное) ядро получило типовое обозначение ARM7TDMI и за достаточно короткое время было лицензировано большим количеством фирм-изготовителей всевозможного оборудования, поскольку технология Thumb, явилась откликом фирмы ARM на стремление разработчиков критичных к стоимости применений, типа сотовых телефонов, дисководов CD, модемов и пейджеров, получить приборы с 32-разрядной производительностью и 32-разрядным адресным пространством, но без увеличения стоимости, связываемого с переходом к 32-разрядным системам. Превосходная плотность кода, достигаемая использованием технологии Thumb, позволяет уменьшить требуемый объем памяти - обеспечивает 32-разрядную производительность системы при использовании памяти 16-разрядного формата, что ведет к снижению стоимости системы.

Необходимо отметить, что ядро ARM7TDMI используется при создании не только специализированных ИС, но и при создании микроконтроллеров общего назначения. Так фирма Atmel в сентябре 1998 года начала поставки микроконтроллеров семейства AT91, в основу которых положено ядро ARM7TDMI. Информацию по приборам серии AT91 можно получить на сайте #"464845.files/image001.gif">

Рис. 1. Блок-схема процессора ядра ARM7TDMI

Этот набор сигналов позволяет ARM7TDMI достаточно просто организовывать интерфейс с DRAM, SRAM и ROM. Для полного использования страничного режима доступа к DRAM, обеспечивается информация о том, является доступ к памяти последовательным или нет. Вообще говоря, интерфейс со статической памятью намного проще чем интерфейс с динамической памятью.

Поскольку ядро ARM7TDMI в основе своей имеет ядро ARM7, то ограничимся кратким напоминанием о его архитектуре и больше внимания уделим особенностям, внесенным технологией Thumb.

Процессор ARM7TDMI - 32-разрядный RISC процессор с 3-уровневым конвейером, сформированный вокруг банка из 37 32-разрядных регистров, в который входят 6 регистров состояния. Процессор оснащен встроенным умножителем 32x8 и 32-разрядным многорегистровым циклическим устройством сдвига. Пять независимых встроенных шин (PC шина, шина инкремента, шина ALU и A- и B-шины) обеспечивают, при выполнении команд высокую степень параллелизма.

Как видно из сравнения блок-схем процессоров ARM7 и ARM7TDMI (См. Рис. 1) в блоке конвейера процессора добавился декомпрессор команд Thumb.

Однако разработчики фирмы ARM этим не ограничились и, имея в виду встраивание ядра в приборы с большим уровнем интеграции, расширили ядро ARM7TDMI (см. Рис. 2) дополнительными аппаратными блоками, обеспечивающими возможность отладки глубоко встроенного ядра.

Рис. 2. Блок-схема ядра ARM7TDMI

Как видно из Рис. 2, ядро ARM7TDMI состоит из ядра собственно процессора, показанного на Рис.1, и расширений отладки: контроллера сканирования TAP (boundary scan) и внутрисхемного эмулятора (ICEBreaker).

Аппаратные расширения отладки ARM7TDMI, обеспечивают развернутые возможности отладки, облегчающие разработку пользовательского прикладного программного обеспечения, операционных систем, и самих аппаратных средств. Аппаратные расширения отладки позволяют останавливать ядро или при выборке заданной команды (в контрольной точке) или при обращении к данным (в точке просмотра), или асинхронно - по запросу отладки.

В этих точках, через JTAG последовательный интерфейс, может быть исследовано внутреннее состояние ядра ARM7TDMI, находящегося в состоянии отладки, и внешние состояния системы. По завершении исследования состояния ядра и системы могут быть восстановлены и продолжено выполнение программы.

Режим отладки ARM7TDMI устанавливается или запросом по одному из сигналов внешнего интерфейса отладки, или внутренним функциональным блоком ICEBreaker, состоящим из двух модулей контрольных точек (watchpoint), работающих в реальном масштабе времени с регистрами состояния и управления ядра, и обеспечивающим поддержку встроенной отладки ядра ARM7TDMI. ICEBreaker программируется в последовательном режиме с использованием контроллера TAP - средства управления работой цепочек сканирования (Scan Chain 0, 1 и 2) через последовательный интерфейс JTAG.

Интерфейс отладки ARM7TDMI основан на архитектуре, описанной в стандарте IEEE Std. 1149.1-1990 "Standard Test Access Port (TAP) and Boundary-Scan Architecture".

Как уже отмечалось выше высокопроизводительное 32-разрядное статическое RISC ядро ARM7TDMI занимает на кристалле очень малую площадь, малое потребление энергии ядром позволяет использовать его в критичных к потреблению применениях, технология Thumb позволяет использовать память 16-разрядного формата меньшей емкости и, соответственно, меньшей стоимости. Не удивительно, что только в течение года, по окончании разработки ядра ARM7TDMI, ядро было лицензировано такими фирмами, как NEC, TI, Symbios Logic, Oki, Atmel, Samsung и VLSI. В дальнейшем лицензии на использование ядра ARM7TDMI получили такие гранды полупроводниковой и электронной отраслей как IBM, HP, Epson, Matsushita и многие другие.

Идя навстречу запросам фирм-разработчиков ASIC и ASSP, разработчиков электронной аппаратуры фирма ARM расширила номенклатуру функциональных макроядер на основе ядра ARM7TDMI (будем называть макроядром некоторое ядро, в данном случае ARM7TDMI, со схемотехнически интегрированными вместе ним дополнительными, расширяющими его возможности функциональными модулями) и в настоящее время в семейство ARM7 Thumb входят: ядро ARM7TDMI, макроядра ARM710T, ARM720T и ARM740T, и синтезируемое (с изменяемой конфигурацией) ядро ARM7TDMI-S.

Основные характеристики четырех первых процессоров приведены в таблице.

Необходимо отметить, что указанные в таблице характеристики (тактовая частота, производительность, потребление, площадь, занимаемая на кристалле) представлены приведенными к CMOS технологии с топологическими нормами 0, 35 мкм. Масштабирование топологии к меньшим топологическим нормам приведет к росту и тактовой частоты и производительности при соответствующем уменьшении занимаемой на кристалле площади напряжения питания и потребления. Так фирма TI, использующая в ряде своих разработок ядро ARM7TDMI, при CMOS технологии GS20 с топологическими нормами 0, 18 мкм получила тактовую частоту свыше 80 МГц, и готова использовать его в CMOS технологии GS30 с топологическими нормами 0, 15 мкм.

При разработке этих макроядер фирма ARM ориентировалась на конкретные области применения, где особенности каждого макроядра позволят реализовать дополнительные возможности без существенного прироста стоимости. Добавление к макроядрам встроенного кэш позволяет минимизировать время доступа к внешней памяти и, сохраняя максимальную производительность, позволяет использовать недорогие RAM. Становится возможным использование системной шины и внешней памяти с быстродействием более низким, чем быстродействие процессора и, следовательно, уменьшить потребление. Широкая полоса частот системной шины может быть также использована и для увеличения полной производительности системы - высвобожденную полосу частот могут использовать другие периферийные устройства, обеспечивая высокую пропускную способность данных в устройствах типа MPEG декодеров цифровых TV приставок.

Макроядро ARM710T, ориентированное на персональные информационные устройства (PDA) и Internet применения, оснащено встроенным полнофункциональным MMU, обеспечивающим использование таких операционных систем как pSOS и EPOC32. Возможность использования виртуальной памяти, обеспеченная MMU, позволяет безопасно использовать коды выгруженные из сети типа Internet или от независимого разработчика. Такая возможность позволяет считать ядро процессора ARM710T идеальным для применения в PDA, интеллектуальных телефонах или Internet телевидении.

Макроядро ARM720T, ориентированное на операционную систему WindowsCE, располагает всеми функциональными возможностями ядра ARM710T плюс специальная поддержка операционной системы WindowsCE. Невысокая цена, высокая производительность и малое потребление процессора ARM720T делают его идеальным решением для перспективных приложений, использующих WindowsCE в PDA, карманных PC, TV и Internet приставках, интеллектуальных телефонах и автомобильных PC.

Макроядро ARM740T, ориентированное на высокопроизводительные встраиваемые применения, в отличие от других макроядер, оснащено кэш который может быть емкостью или 4 или 8 Кбайт и, кроме того, модулем защиты буфера записи и памяти (не полнофункциональным MMU). Макроядро ARM740T ориентировано на использование в мультимедиа и встраиваемых применениях типа цифровых TV приставок, Internet аппаратуры и сетевых устройств, в модемах и системах, для которых разрабатывается специальное ПО, не требующее управления виртуальной памятью, обеспечиваемой MMU.

Выигрыш, который может получить разработчик - более низкая стоимость устройств, малое потребление, за счет малого размера кристалла и снижения сложности схемы. Стоимость разработки ПО также снижается за счет более простой структуры управления памятью.

Рис. 3. Блок-схема макроядра ARM710T

Рисунок из файла DDI-0086B.pdf (стр. 1-3). Адрес страницы - #"#">http://www.gaw.ru/