Intel XScale(TM) 嵌入式微处理器简介
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嵌入式处理器的主要特点创易电子整理出品,创易更懂电子, / 全系列阻容感一本全掌控。
2.1嵌入式微处理器的优点2.1.1 低功耗2.1.2功能丰富2.1.2其他2.2嵌入式微处理器的特点三常用处理器概况3.1 处理器分类现状3.1.1嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)3.1.2 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)3.1.3 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)3.1.4嵌入式片上系统(System On Chip)3.2 处理器的主要参数3.2.1主频3.2 处理器的缓存四处理器比较4.1 嵌入式控制器和嵌入式处理器的比较4.2 常见处理器简介及特点4.2.1 ARM处理器4.2.2 MIPS4.2.3 Power PC4.2.4 X864.2.5 DSP4.3 应用领域4.3.1 ARM4.3.2 MIPS4.3.3 PowerPC4.3.4 X864.3.5 DSP随着数字信息技术和网络技术高速发展,嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。
国内外各种嵌入式产品进一步开发和推广,嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。
嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,据不完全统计,目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行体系结构有30几个系列,其中8051体系的占有多半。
生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多种衍生产品,仅Philips就有近100种。
现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。
嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16-32MB,处理速度从O.IMIPS到2000MIPS, 常用封装从8个引脚到144个引脚。
飞思卡尔芯片的嵌入式应用飞思卡尔(英语:Freescale Semiconductor)是美国的半导体生产厂商。
飞思卡尔于2004年由原摩托罗拉的半导体部门组建。
飞思卡尔的主要产品为面向嵌入和通讯市场的芯片。
其产品包括:微控制器(Kinetis ARM® MCU、Qorivva(5xxx)32位Power Architecture MCU、MAC57Dxxx 32位ARM® MCU、ColdFire+/ColdFire 32位MCU、8位MCU、16位MCU、数字信号控制器、MCU编程中心)、处理器(i.MX ARM®应用处理器Vybrid ARM®控制器解决方案QorIQ处理平台PowerQUICC通信处理器Power Architecture主处理器图像识别处理器加密协处理器StarCore高性能DSPDSP56K/Symphony DSP)、模拟技术与电源管理、射频、传感器嵌入式系统的定义:“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置(Devices Used to Control,Monitor or Assist the Operation of Equipment,Machinery or Plants)”。
嵌入式系统包括:1、嵌入式微控制器(16位、8位、以及8位以下的CPU,典型代表就是单片机)2、嵌入式微处理器(32位,以及32位以上的称为处理器,典型为ARM核的处理器)3、DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理器)4、SOC(System on Chip,片上系统,就是把所有的模块都做到一块芯片上)飞思卡尔芯片的嵌入式应用实例:一、飞思卡尔为未来智能电网开发解决方案:飞思卡尔不仅提供智能仪表设计所需要的芯片产品,而且提供完美解决方案。
对于公共事业单位如供电厂来说,如何优化配电基础设施,防止可能出现的大面积停电,以及如何有效的为最终用户提供能源服务,都需要智能仪表。
微处理器简介及详细资料基本信息微处理器(英语:Microprocessor,缩写:µP或uP)是可程式化特殊积体电路。
一种处理器,其所有组件小型化至一块或数块积体电路内。
一种积体电路,可在其一端或多端接受编码指令,执行此指令并输出描述其状态的信号。
这些指令能在内部输入、集中或存放起来。
又称半导体中央处理机(CPU),是微型计算机的一个主要部件。
微处理器的组件常安装在一个单片上或在同一组件内,但有时分布在一些不同晶片上。
在具有固定指令集的微型计算机中,微处理器由算术逻辑单元和控制逻辑单元组成。
在具有微程式控制的指令集的微型计算机中,它包含另外的控制存储单元(源自:英汉双解计算机字典)。
用作处理通用数据时,叫作中央处理器。
这也是最为人所知的套用(如:Intel Pentium CPU);专用于作图像数据处理的,叫作Graphics Processing Unit图形处理器(如Nvidia GeForce 7X0 GPU);用于音频数据处理的,叫作Audio Processing Unit音频处理单元(如Creative emu10k1 APU)等等。
物理性来说,它就是一块集成了数量庞大的微型电晶体与其他电子组件的半导体积体电路晶片。
之所以会称为微处理器,并不只是因为它比迷你电脑所用的处理器还要小而已。
最主要的原因,还是因为当初各大晶片厂之制程,已经进入了1 微米的阶段,用1 微米的制程,所产制出来的处理器晶片,厂商就会在产品名称上用“微”字,强调他们很高科技。
就如同现在的许多商业广告一样,很喜欢用“奈米”字眼。
早在微处理器问世之前,电子计算机的中央处理单元就经历了从真空管到电晶体以及再后来的离散式TTL积体电路等几个重要阶段。
甚至在电子计算机以前,还出现过以齿轮、轮轴和杠杆为基础的机械结构计算机。
文艺复兴时期的著名画家兼科学家李奥纳多·达·文西就曾做过类似的设计[来源请求],但那个时代落后的制造技术根本没有能力将这个设计付诸实现。
嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行的体系结构有30多个系列。
现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,下面yjbys店铺为大家准备了关于嵌入式处理器的分类,欢迎阅读。
1、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)嵌入式处理器的基础是通用CPU,在应用中,将微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应应用有关的母板功能,这样可以大幅度减少系统体积和功耗。
为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点,但是设计中需外加ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件,从而降低了系统的可靠性,技术保密性也较差。
嵌入式处理器目前主要有Aml86/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
2、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)嵌入式微控制器又称单片机,顾名思义,就是将整个计算机系统集成到一片芯片中。
嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉冲调制输出、A/D、D/A、Flash等各种必要功能和外设。
和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减少,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。
嵌入式微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,故称为微控制器。
嵌入式微控制器目前的品种和数量最多,比较有代表性的`通用系列有8051、P51XA、MCS-251/96、MC68HC05/11/16、68300等。
3、嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度快。
第十四章Intel网络处理器概述前面我们讨论了网络处理器的一般问题,从本章开始我们将深入讨论一个特定的网络处理器--Intel网络处理器,以便对前面介绍的一般概念提供一个具体的说明。
(1)IXA术语IXA(Internet eXchange Architecture)泛指Intel网络处理器体系结构以及相关的支持芯片。
尽管IXA主要集中在网络处理器硬件,它也包括软件体系结构,因为如果不预想使用硬件的软件,可编程硬件是无法定义的。
IXA包括控制面(慢路径)和数据面(快路径)处理,定义了硬件抽象、应用编程接口和互连机制,但是没有给出细节,IXA只是给出了概念组织。
IXA中有如下三个重要组成部分:●微引擎(Microengine,ME):微引擎是Intel网络处理器的核心部件,也是Intel处理器取得线速处理性能的关键,在其它功能单元的支持下执行快路径上的包处理。
●XScale Core:XScale核是Intel网络处理器的高层控制和管理单元,是与Strong ARM兼容的一种微处理器,负责控制面的处理任务以及异常数据包的处理,上面运行VxWorks、嵌入式Linux等实时操作系统。
●IXA可移植框架(IXA Portability Framework):为基于Intel网络处理器的软件开发提供应用编程接口和硬件抽象,使得运行在XScale核和微引擎上的软件具有良好的可移植性和可重用性。
开发者对新一代网络处理器的要求包括四个方面:灵活性,高性能,可扩展性和可移植性。
IXA能够满足这四个方面的要求。
●灵活性:在IXA架构的网络处理器中,微引擎完全可编程,在低层硬件设备的支持下可实现许多复杂的网络处理功能,具有较好的功能灵活性。
●高性能:IXA架构的网络处理器使用多个可并行操作的微引擎,通过增加微引擎的数目、提高微引擎和XScale核的时钟频率、采用新技术减小存储器访问延时以及增加专用硬件功能单元,可使网络处理器线速处理高达OC-192的网络数据,具备了网络宽带化所要求的高性能。
嵌入式微处理器分类:根据微处理器的字长宽度:微处理器可分为4位、8位、16位、32位、64位。
一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器,32位以上的称为嵌入式微处理器。
根据微处理器系统集成度,可划分为两类:一般用途的微处理器,即微处理器内部仅包含单纯的中央处理单元;单芯片微控制器,即将CPU、Rom、RAM及I/O等部分集成到同一个芯片上。
根据嵌入式微处理器的用途:可分为以下几类:1、嵌入式微控制器(MCU),又称为单片机。
微控制器的片上外设资源通常比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器。
微控制器芯片内部集成有ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出(PWM)、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。
微控制器的最大特点是单片化,功耗成本低,可靠性高。
常用的有8051、MCS系列、C540、MSP430系列等,目前,微控制器占嵌入式系统的约70%的市场份额。
2、嵌入式微处理器(EMPU)。
由通用计算机中的CPU发展而来,主要特点是具有32位以上的处理器,具有比较高的性能,价格也较高。
与计算机CPU不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其它的冗余功能部分,因此其体积小、重量轻、功耗低、成本低及可靠性高。
通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一个芯片上,也称为单板计算机。
目前,主要的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、POWER PC和基于X86的386EX等。
特点:嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中,它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化,同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构;指令系统可以选用精简指令系统(Reduced Instruction Set Computer,RISC)和复杂指令系统CISC(Complex Instruction Set Computer,CISC)。
Intel XScale™嵌入式微处理器简介Intel Xscale内核是和ARM® Architecture V5TE结构兼容的微处理器。
Intel® XScale™core内核集成了多种微结构的特点,从而能够完成更过的性能要求。
这样用户可以根据自己的需求进行配置,实现自己特定的功能。
Intel® XScale™的这些微结构很多应用在存储器当中,主要包括:•当数据缓冲从外部存储器获取数据是,仍然能够执行指令;•写缓冲;•写回数据缓冲(Write-back data cache)•缓冲锁定(Cache locking)•可配置的缓冲方式(X Bit, C Bit for Cacheable, B Bit for Bufferable)Intel Xscale内核的上述特点,使它能够有效的处理语音信号,乘法累加操作还可以完成多种语音和多媒体CODEC算法。
特点改进的性能Intel® 超级流水线技术 7-stage integer/8-stage存储器超级流水线内核获得更高的速度和较低的功耗 Intel®动态电压管理 动态电压和频率允许应用系统对性能和功耗进行合理的折衷 Intel® Media处理技术 多累加协处理器同时完成两个16-bit SIMD 乘法(带40-bit累加),有效的媒体处理; 电源管理单元 通过idle、 sleep、和快速wake-up模式,降低功耗 128-entry Branch TargetBuffer 使流水线载有分支支零时仍能够保持正确 32 KB Instruction Cache 保持重要指令,提高系统性能,降低系统功耗 32 KB Data Cache 保持重要数据,提高系统性能,降低系统功耗 2 KB Mini-Data Cache 在频繁改变数据流时,避免"thrashing" of the D-Cache 32-entry 程序存储器管理单元 使能逻辑到物理地址变换、访问允许和I-Cache attributes 32-entry数据存储器管理单元 使能逻辑到物理地址变换、访问允许和D-Cache attributes 4-entry Fill and Pend Buffers 通过允许数据缓冲的non-blocking和"hit-under-miss"操作,提高内和效率。
性能监测单元 完成两个32-bit event counters和一个32-bit cycle counter foranalysis of hit rates, etc. Debug调试单元 采用硬件断点和256-entry跟踪缓冲调试程序 32-bit CoprocessorInterface 在内核和协处理器间提供高性能的接口 64-bit内和存储器总线,同时32-bit输入和32-bit输出 Gives up to 4.8 GBytes/sec. @ 600 MHz bandwidth for internal accesses 8-entry Write Buffer 当数据写入到存储器是,允许内和继续执行。
ARM兼容性1ARM* Version 5 (V5) Architecture在ARM* Version 4版本基础上增加了很多功能,其中包括浮点指令。
Intel® XScale™内核应用ARM* V5的整型指令,但不提供浮点指令的硬件支持。
Intel® XScale™内核提供ARM* V5T Thumb指令集合ARM* V5E DSP扩展。
为了进一步提高多媒体处理能力, Intel® XScale™内核作为Intel® Media Processing技术的第一个应用,还增加了乘法累加功能。
这些新的操作映射到ARM写处理器空间,和StrongARM兼容。
为了能够满足特定硬件的需要,操作系统需要尽心适当的调整。
Intel® XScale™内核的结构框图Figure 1给出了Intel® XScale™内核的结构框图,该内核支持:l 7 stage integer/8 stage memory流水线操作;l 32Kbyte指令缓冲(32 ways, lockable by line);l 一个32Kbyte数据缓冲(32 ways,write-back or write-through);l 一个2Kbyte mini-data cache (two ways);l 一个分支目标缓冲 a branch target buffer (used by the processor core’s branch prediction logic);l 性能管理单元(Performance Monitoring Unit);l 编辑调试接口(debug port with Branch History table and hardware breakpoints);l 电源管理控制器(Power Management Controller)和JTAG此外,内核还有数据、存储器管理单元(MMU)、带有32传输缓冲( 32 Entry Translation look aside Buffers (TLBs))等。
应用处理器特殊的结构设计提供了灵活的高性能::下图给出了Intel® XScale™内核的主要功能框图,下面概略的介绍个功能模块:2Multiply/Accumulate (MAC)MAC单元支持乘法累加操作,改进了几个硬件结构以支持语音代码算法。
包括40-bit累加器和支持16-bit packed data。
Memory ManagementIntel® XScale™内核采用存储器管理单元结构,具体参见ARM* Architecture Reference Manual。
MMU 提供访问保护和虚拟到物理地址的变换。
MMU构架还确定指令和数据cache的分类原则。
由页配置属性决定的划分方法:•区分代码为cacheable还是non-cacheable;•在mini-data cache或data cache中选择;•write-back或write-through数据缓冲;•使能数据写分配原则;•enabling the write buffer to coalesce stores to external memoryPerformance MonitoringIntel® XScale™内核增加了两个性能监测控志气,监测在Intel® XScale™内核的各种事件的发生。
该事件管理器允许软件开发人员测试cache的效率,监测系统平静并降低程序的重叠缓存等问题。
Power ManagementIntel® XScale™内核集成了一个电源和时钟管理单元,能够辅助ASSP控制时钟,管理电源。
DebugIntel® XScale™内核通过两个指令寻址断点寄存器支持软件调试。
一个数据地址断点寄存器,一个数据地址屏蔽断点寄存,一个mini instruction cache和一个跟踪缓冲器。
Intel® XScale™内核通过JTAG口进行调试。
Intel® XScale™ Enhancements(改进)Intel PXA250应用处理器的Intel XScale内核是在Intel StrongARM处理器Intel SA-1100和 IntelSA-1110应用处理器基础上改进的,和Intel SA-1100和 Intel SA-1110应用处理器不同的是Intel PXA2503应用处理器采用Thumb代码压缩技术。
RISC结构有个弱点就是代码密度问题,代码密度描述了需要存储代码(也就是软件)的空间。
RISC芯片通常情况下要比CISC (Complex Instruction Set Computing) 处理器占用更大的存储空间。
Thumb技术改善了这方面的性能,代码比正常的RISC密度降低30%,该压缩由Intel PXA250应用处理器自动完成。
工程师或程序员不需要更多的设计考虑。
另一个改进的主要部分就是Intel Xscale内核拥有双乘法/累加(dual-MAC)指令,MAC操作对于计算机和微处理器是一个比较新的运算模式,是从数字信号处理器(DSP)中移植过来的。
而MAC操作对于语音、视频和无线应用是非常重要经常用到的。
一个或两个MAC指令能够完成这些多媒体的应用,因此大大的提高了微处理器的运算能力。
Intel Xscale PXA250 ArchitectureIntel PXA250微处理器是下一代手持多媒体应用处理器,基于Xscale结构的高性能低功耗微处理器,广泛应用于无线、手持和Internet设备当中。
Intel PXA250内核是一个32-bit的微处理器,但是在他的结构设计中,处理器内核部分仅占了整个芯片的15%。
绝大部分区域是为了提高其性能的集成程度和增强电源管理,降低芯片甚至是系统的功耗。
Intel PXA250内核是一个Intel Xscale内核微处理器。
Intel Xscale本身是一个32-bit的RISC为结构。
采用先进的ARM技术,是目前世界上交流行得32-bit 嵌入式CPU。
在技术上ARM和Intel Xscale两者完全兼容。
因此在采用Intel PXA250应用处理器进行软件开发时,原来为ARM开发的代码完全可以进行移植,或直接在基于Intel Xscale的微处理器上运行。
当然新的开发工具将会更能利用发挥Intel Xscale技术。
如图所示,Intel PXA250应用处理器包括多种外设,能够完成个人客户终端构架的基本功能。
它包括集成的外围存储器控制器、串行总线、并行总线、无线和有线通信接口、扩展卡接口以及LCD显示接口等。
所有这些实现了一个片上系统。
在具体的用户设计时,有时只需要增加一些电池、存储器、通信子系统和LCD显示屏就可以了。
从而简化并降低了软硬件的设计实现难度,降低系统的成本和功耗,加快了产品推向市场4产品概述移动和无线设备方便了我们的生活,使工作小冷高。
几乎每天都依赖这些先进的设备来进行各种活动。
为了能够满足客户随时随地能够进行通信、访问信息。
生产厂商需要采用高性能、灵活方便、稳定性好、功耗比较低的技术来满足不断增长的需求。
采用Intel Xscale技术的Intel Personal Internet Client Architecture (Intel PCA)应用处理器将手持设备提升到了一个新的高度。