ASIC(Applications Specific Integrated Circuit) стали первыми приборами, которые вопределенной степени учитывали особые требования, предъявляемые заказчиками, икоторые не могли быть достаточно просто и экономично реализованы на стандартныхприборах (универсальных — общего назначения). Наиболее активно ASIC сталиразвиваться с введением технологии программных ядер и программных библиотекпериферийных компонентов, которые, по мере их развития, позволили создавать наодном кристалле достаточное большое количество функций, чтобы можно былоназывать такие кристаллы «системами-на-кристалле». И если допоявления ASIC функции, реализуемые электронной аппаратурой, определялись, восновном, предлагаемыми полупроводниковыми отраслями стандартными приборами, тосегодня набор функций, возможности приборов, изготавливаемых вполупроводниковых отраслях определяют в первую очередь потребности пользователей- рыночный спрос. Образно говоря, раньше собака (полупроводниковые отрасли)виляли хвостом (потребителем), то сегодня хвост виляет собакой.
Подтверждениемэтого является колоссальное количество всевозможных устройств, производимых вгромадных объемах и реализованных на основе ядер ARM7TDMI фирмы ARM и ядрахдругих фирм (например сотовые телефоны — дальнейшее перечисление займет слишкоммного места). Еще одним подтверждением активизации виляния собакой являетсяпродолжение работ как фирмой ARM, так и другими фирмами, по созданию ядер совсе большей производительностью и с новыми функциональными возможностями.
Длясовременных критичных к стоимости и потреблению применений необходим оченьвысокий уровень производительности. Персональные цифровые информационныеустройства (PDA) и интеллектуальные телефоны — вычислительные устройстваразмером с ладонь — уже объединяются со средствами цифровой беспроводнойкоммуникации, с тем, чтобы обеспечить обращение к новым услугам Internet, кэтому теперь добавляется Java и распознавание речи! Цифровые приставкиобеспечивают получение MPEG видео и Surround Sound звучания по цене, доступнойдля потребителя со средним достатком. Ширина полосы частот сетей растет ифункции маршрутизации перемещаются на сетевые интерфейсные карты персональныхкомпьютеров. Кабельные, xDSL и 56-кбодовые модемы реализуют все более сложныеалгоритмы перемещения данных. В ближайшей перспективе просматривается сотоваявидео конференц-связь.
Приборысемейство ARM9 Thumb, официально выпущенные в октябре 1997 года, располагаютпроизводительностью, необходимой практически для всех этих применений, причемпри очень малом потреблении, что чрезвычайно важно для устройств с батарейнымпитанием. Отметим, что снижение потребления актуально не только для карманныхустройств — высокое потребление ограничивает уровень интеграции кристалла, чтоприводит к необходимости реализовывать необходимые функции в несколькихкристаллах, ведет к нежелательным шумам вентиляторов охлаждения, ведет кдорогостоящему корпусированию или к использованию более дорогих компонентовпитания.
Семейство32-разрядных ARM RISC процессоров ARM9TDMI, сохранившее основные преимуществаARM7TDMI, ставших промышленным стандартом, обеспечивает двукратное увеличениепроизводительности, при изготовлении по эквивалентной технологии.
ПроизводительностьARM9TDMI составляет 133 MIPS при 120 МГц и технологии CMOS с топологическиминормами 0, 35 мкм. При топологии 0, 25 мкм и 0, 18 мкм рабочая частота составитсвыше 200 МГц и производительность свыше 220 MIPS.
Этиновые уровни производительности открывают возможность создания массы новыхприменений, с расширенными возможностями, позволяют, за счет реализациимножества функций на одном высокопроизводительном CPU, снижать стоимостьсистем.
Всемейство ARM9TDMI, в настоящее время, входит процессорное ядро ARM9TDMI, иоснащенные кэш процессорные макроядра ARM940T и ARM920T.
Общиедля, всех процессоров семейства ARM9TDMI возможности:
Высокопроизводительный32-разрядный ARM RISC механизм
Гарвардскаяархитектура с раздельными шинами команд и данных
Пятиуровневыйконвейер
Модуль,выполняющий операцию перемножения/аккумулирования 16x32 за один цикл
Гибкаясинхронизация CPU и шины, включая асинхронную, синхронную и однотактовуюконфигурации
Thumb16-разрядная система команд, обеспечивающая лучшую в отрасли, плотность кода
Встроенныевозможности EmbeddedICE JTAG отладки программного обеспечения
Возможностьадаптации к перспективным CMOS технологиям с меньшими топологическими нормами
Совместимостьс низковольтными CMOS технологиями
100%совместимость двоичных кодов пользователя с ARM7TDMI
Возможностьинтеграции класса «система-на-кристалле» со встроенным тестированиемв процессе производства
/>
Рис.1. Блок-схема процессорного ядра ARM9TDMI
Следствиеминтеллектуализации современных применений является рост объемов программногообеспечения. С ростом объема кодов и данных память занимает все большую долюстоимости системы.
Засчет использования сжатой системы команд Thumb приборы семейства ARM9 Thumbобеспечивает ту же самую наилучшую в отрасли плотность кода как и приборы семействаARM7 Thumb и, следовательно, обеспечивают снижение стоимости системы в целом.Кроме обеспечения меньшего объема памяти увеличение плотности кодов, присохранении той же самой производительности, для выборки команд используетсяболее узкая полоса частот, что позволяет освободившуюся полосу использовать длядругих целей. Как и в семейство ARM7 Thumb в семейство ARM9 Thumb кроме ядраARM9TDMI входят макроядра. К настоящему времени в это семейство входятмакроядра ARM940T и ARM920T основным отличием которых является наличиевстроенных кэш команд и данных.
Посколькуприборы семейства работают с тактовыми частотами существенно превышающими 100МГц (120 МГц при топологии 0, 35 мкм и свыше 200 МГц при топологиях 0, 25 именее), то тщательно разработанные кэшированные макроядра скрываютвысокочастотные запросы схемы в предварительно разработанном «черномящике», обеспечивающем легкий в использовании встроенный низкочастотныйсистемный шинный интерфейс, что позволяет разработчику ASIC или ASSPсконцентрироваться на специфических особенностях проекта. Поскольку кэшированиезначительно уменьшает потребность в широкой полосе частот, для размещенной востальной части системы памяти, появляется возможность снизить потреблениесистемы, особенно при использовании внешней, относительно кристалла, памяти.
Полосапропускания системной шины и памяти обеспечивают решение задач обработки видеои других задач, или позволяет использовать менее дорогой 16-разрядный или даже8-разрядный интерфейс ЗУ. Все это позволяет семейству ARM9 Thumb обеспечиватьпроизводительность свыше 100 MIPS при системе памяти типичной для 16-разряднойсистемы.
МакроядроARM940T — законченная высокопроизводительная подсистема CPU, содержащая ядроARM9TDMI (целочисленное RISC CPU), кэши команд и данных, емкостью по 4 Кбайт, буферзаписи, блок защиты и интерфейс AMBA ASB шины. Макроядро ARM940T предназначенодля использования во встраиваемых управляющих применениях, не требующихподдержки виртуальной памяти. Модуль защиты, обеспечивающий возможности конфигурированияи защиты памяти, необходимые для типичной RTOS, позволяет определять 8 областейпамяти, каждая из которых располагает независимыми полномочиями разрешения идоступа к кэш и буферу записи. Модуль защиты полностью сконфигурирован извстроенных регистров, что обеспечивает простую программную модель и исключаетпотребность сохранения в памяти таблицы отображения страниц. Обычно макроядроARM940T используется в тех применениях, в которых конечный пользователь никогдане добавляет программное обеспечение к системе — типа процессоров, встраиваемыхв платы сетевого интерфейса, принтеры, TV и Internet приставки и вавтомобильных применениях.
МакроядроARM920T, также оснащенная кэш команд и данных, но емкостью по 16 Кбайт, законченнаявысокопроизводительная подсистема CPU на основе ядра ARM9TDMI, с буфером записии интерфейсом AMBA ASB шины, но вместо блока защиты макроядро оснащено полнымMMU — блоком поддержки виртуальной памяти. Макроядро ARM920T ориентировано наиспользование в «открытых» системах, для которых необходимо полноеуправление виртуальной памятью и развитая защита собственной памяти — к такимсистемам относятся персональные информационные устройства (PDA), сетевыекомпьютеры, интеллектуальные телефоны, X- и Windows-терминалы.
Блок-схемамакроядра ARM920T представлена на Рис. 2.
/>
Рис.2. Блок-схема макроядра ARM920T
Рисунокна стр1-3 ARM920T Technical Reference Manualhttp://www.arm.com/Documentation/UserMans/ строкаARM920T (Rev 0) DDI-0150A issued Jun 1999
Процессорысемейства ARM9 Thumb обеспечивают возможность существенного сокращениястоимости и сроков вывода на рынок усовершенствованных версий разработки, засчет реализации одним высокопроизводительным CPU функций, ранее выполнявшихсяотдельными независимыми микроконтроллерами. Интеллектуальные телефоны, схемыприставок и программные модемы в PDA отражают эту тенденцию. К основнымпреимуществам применения процессоров семейства ARM9 Thumb относятся:
Болеенизкая стоимость аппаратных средств, поскольку для единственной системы памятитребуется меньшее количество выводов, меньшее количество компонентов и меньшаямощность источника питания.
Нетнеобходимости разделять ПО между несколькими MCU.
Нетнеобходимости в организации каналов связи между несколькими MCU.
Исключаетсясложная многопроцессорная отладка.
Всяразработка программного обеспечения ведется единым комплектом инструментальныхсредств для единой архитектуры CPU.
Равномернаянесегментированная 32-разрядная архитектура памяти, с адресным пространством 4Гбайта, упрощает разработку программного обеспечения.
Техническиехарактеристики приборов семейства ARM9 ThumbЯдро CPU Занимаемая площадь Потребление, мВт/МГц Тактовая частота Производительность ARM9TDMI 5-уровневый конвейер, интерфейс Гарвардской шины, ARM RISC ядро с Thumb и EmbeddedICE
2, 4 мм2 при 0, 25 мкм
3, 7 мм2 при 0, 35 мкм
4, 8 мм2 при 0, 4 мкм
Пиковое — 1, 35
Среднее — 0, 7
Idle —
120 МГц при CMOS 0, 35 мкм
>200 МГц при CMOS 0, 25 мкм и менее
1, 1 MIPS/МГц
132 MIPS при 120 МГц
220 MIPS при 200 МГц Прибор Ядро CPU Объем кэш, команд + данных Управление памятью Занимаемая площадь Потребление, мВт/МГц ARM940T кэшированное процессорное макроядро ARM9TDMI 4 Кбайт + 4 Кбайт
Простая память
Конфигурирование и защита
8, 1 мм2 при 0, 25 мкм
12, 7 мм2 при 0, 35 мкм
16, 6 мм2 при 0, 4 мкм
Пиковое — 5, 0
Среднее — 2, 5
Idle —
при 0, 35 мкм и 3, 3 В ARM920T кэшированное процессорное макроядро ARM9TDMI 16 Кбайт + 16 Кбайт ARM v4 MMU с полной поддержкой виртуальной памяти
20 мм2 при 0, 25 мкм
30 мм2 при 0, 35 мкм
38 мм2 при 0, 4 мкм
Пиковое — 5, 0
Среднее — 2, 5
Idle —
при 0, 35 мкм и 3, 3 В
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.gaw.ru/