32位ARM内核微处理惩罚器W90N740及其应用

      择要：在对ARM体系布局举行阐发的底子上，先容了32位ARM核处理惩罚器W90N740的布局特点和优秀性能，讨论了它的应用要领。给出了用W90N740芯片低落体系本钱的实现方案。

    关键词：ARM7TDMI；RISC；W90N740；片上体系；路由器

Ｗ９０Ｎ７４０是台湾Ｗｉｎｂｏｎｄ公司开辟的基于３２位ＡＲＭ核的高性能、低功耗微处理惩罚器。Ｗ９０Ｎ７４０采取ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核，内建两个１０／１００Ｍｂ ＭＡＣｓ以太网络控制器，并采取Ｗｉｎｂｏｎｄ独家专利的网络地点转换加快器ＮＡＴ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ。该器件用硬件方法加快网络数据包的转换，不但淘汰了中间处理惩罚器的包袱，同时也大幅进步了宽带的团体体系效能。而芯片方法集成的ＵＳＢ控制器则可透过ＵＳＢ界面保持种种计算机周边配置，以添加产品附加值。别的，Ｗ９０Ｎ７４０内部还集成了ＥＢＩ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｕｓ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）控制器、体系办理器、ＧＤＭＡ控制器等。因而在很多应用范畴，用该器件计划的体系本钱比如今同类产品要低。加上ＡＲＭ公司开辟环境支持汇编语言、Ｃ和Ｃ＋＋，其软件开辟也非常方便。因此，Ｗ９０Ｎ７４０虽不是主流产品，但也是很多网络电子产品的选择方案之一。

１　ＡＲＭ体系布局

１．１ ＡＲＭ体系的指令集

ＡＲＭ体系具有ＡＲＭ和Ｔｈｕｍｂ两种指令集。当处理惩罚器事变在ＡＲＭ状态时，实行ＡＲＭ指令集；而当其事变在Ｔｈｕｍｂ状态时，则实行Ｔｈｕｍｂ指令集。

全部ＡＲＭ指令都是３２位长度。指令以字对准方法生存，如许，ＡＲＭ状态指令地点的最低２位总是零。实际上，一些指令通常利用最低有效位来鉴定代码是转向Ｔｈｕｍｂ代码还是ＡＲＭ代码。

    ＡＲＭ指令集重要包括存储器访问指令、数据移动指令、数据处理惩罚指令、分支指令、协处理惩罚器指令、状态寄存器转移指令和非常处理惩罚指令等。

全部Ｔｈｕｍｂ指令都是１６位长度，这些指令可在存储器中以半字对准方法生存。因而，指令的最低有效位在Ｔｈｕｍｂ状态下总为零。实际上，Ｔｈｕｍｂ指令集是３２位ＡＲＭ指令集的成果子集。

１．２ ＡＲＭ体系的编程模型

（１）ＡＲＭ支持的数据范例

ＡＲＭ处理惩罚器支持下列数据范例：Ｂｙｔｅ(字节)，８位；Ｈａｌｆｗｏｒｄ(半字)，１６位；Ｗｏｒｄ(字，必须与４字节边界对齐)，３２位。

（２）ＡＲＭ处理惩罚器模式

ＡＲＭ体系布局支持７种处理惩罚器模式：用户模式(Ｕｓｅｒ)、 快速停止恳求(ＦＩＱ，Ｆａｓｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｒｅｑｕｅｓｔ)、停止恳求(ＩＲＱ，Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ＲｅＱｕｅｓｔ)、办理（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ）、中断（Ａｂｏｒｔ）、体系（Ｓｙｓｔｅｍ）和未定义（Ｕｎｄｅｆｉｎｅｄ）。除用户模式外，别的模式统称为特权模式。大多数应用步伐可在用户模式下实行。当处理惩罚器事变在用户模式时，正在实行的步伐不克不及访问被掩护的体系资源，也不克不及变化模式，除非产生非常。因此，开辟中应得当编写操纵体系来控制体系资源的利用。

（３）ＡＲＭ寄存器构造

ＡＲＭ处理惩罚器统共有３７个寄存器此中有３１个３２位的通用寄存器（包括步伐计数器ＰＣ）和６个３２位的状态寄存器（但是只利用了此中的１２位）。该处理惩罚器将寄存器摆设成部分重叠的组，每种处理惩罚器模式利用差别的寄存器组。同时在全部处理惩罚器模式下都可以访问当前步伐状态寄存器ＣＰＳＲ。而ＣＰＳＲ则包括条件码标记、停止标记位、当前处理惩罚器模式以及别的状态和控制信息。每种非常模式都有一个步伐状态生存寄存器ＳＰＳＲ。当非常出现时ＳＰＳＲ可用于保存ＣＰＳＲ的状态。

（４）非常处理惩罚

非常通常由内部或外部源孕育产生，并引起一个变乱。比如，外部停止或试图实行未定义指令都市引起非常。在处理惩罚非常之前，必须保存处理惩罚器状态，以便在非常处理惩罚步伐完成后，使原来的步伐可以或许重新实行。同临时候大概出现多个非常。ＡＲＭ支持七种范例的非常。非常出现后，体系将逼迫从非常范例映射的牢固存储器地点开始实行步伐。

(５)存储器和存储器映射Ｉ／Ｏ

ＡＲＭ体系布局容许利用现有的存储器和Ｉ／Ｏ器件来举行种种百般的存储体系计划。ＡＲＭ体系布局利用２３２个８位字节的单一线性地点空间。计划时可将字节地点作为无标记数对待，范畴为０～２３２－１。而将地点空间看作由２３０个３２位字构成。每个字的地点都是字对准的，故地点可被４整除。其存储器的存储利用了两种映射要领：小端存储体系和大端存储体系，其映射方法分别如图１（ａ）、（ｂ）所示。

图2

２　Ｗ９０Ｎ７４０的布局特点

Ｗ９０Ｎ７４０的内部成果框图如图２所示。Ｗ９０Ｎ７４０内核为８０ＭＨｚ的ＡＲＭ７ＴＤＭＩ ３２位处理惩罚器，可支持大／小模式Ｂｉｇ／Ｌｉｔｔｌｅ－Ｅｎｄｉａｎ ｍｏｄｅ的事变方法。该内核内置有８ｋＢ的指令高速缓冲存储器（Ｉ－Ｃａｃｈｅ）和２ｋＢ 数据高速缓冲存储器（Ｄ－Ｃａｃｈｅ），它们是雷同范例的存储器（除容量大小差别外），可与存储器之间以块（ｃａｃｈｅ ｌｉｎｅ）为单位举行数据互换。每个高速缓冲存储用具有４字块大小，当此中一个高速缓冲存储器未掷中时，其４字块大小的信息必须从外部寄存器中连续的获取，其更换算法采取近来最少利用算法(ＬＲＵ, Ｌｅａｓｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ Ｕｓｅｄ)。当Ｉ－Ｃａｃｈｅ或Ｄ－Ｃａｃｈｅ被禁用时，可以通过Ｃａｃｈｅ 控制寄存器把Ｃａｃｈｅ设置成片上 ＲＡＭ。别的，Ｗ９０Ｎ７４０还提供了一个８字的写缓冲器(Ｗｒｉｔｅ－Ｂｕｆｆｅｒ).重要用来优化向主存储器的写入操纵。Ｃａｃｈｅ和写缓冲器的引入大大改进了Ｗ９０Ｎ７４０存储体系的性能。

Ｗ９０Ｎ７４０内含锁相环ＰＬＬ，可用于ＣＰＵ和ＵＳＢ 主机控制器，利用参考频率为１５ＭＨｚ。ＰＬＬ给别的片内控制器提供的时钟频率范畴为３～３０ＭＨｚ。

Ｗ９０Ｎ７４０内有ＵＳＢ 主机控制器，该控制器兼容ＵＳＢ １．１标准，支持低速率（１．５Ｍｂｐｓ）和全速率（１２Ｍｂｐｓ）的ＵＳＢ 配置。同时还内置有效于及时数据传输的ＤＭＡ控制器。

通过Ｗ９０Ｎ７４０中ＥＢＩ控制器提供的外部总线可访问片外ＳＤＲＡＭ、ＲＯＭ／ＳＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ和Ｉ／Ｏ配置。在内置 ｃａｃｈｅ失效时，ＥＢＩ控制器仍可得到与ＣＰＵ核雷同的事变频率以包管其处理惩罚速率。具有两个１０／１００Ｍｂｐｓ以太网ＭＡＣ控制器ＥＭＣ是Ｗ９０Ｎ７４０的一大特点。ＭＡＣ控制器重要应用于ＷＡＮ或ＬＡＮ。它内有两个ＭＡＣ控制器，因而可大大加强此芯片在ＷＡＮ端口与ＬＡＮ端口之间的应用性能，低落体系本钱。ＥＭＣ采取的事变方法是半／全双工方法，每个ＥＭＣ除包括ＩＥＥＥ８０２．３以太网协议引擎外，还含有ＤＭＡ控制器和收／发ＦＩＦＯ。ＥＭＣ提供有两个可选择的接口：媒质独立接口ＭＩＩ（ Ｍｅｄｉａ Ｉｎｄｅ-ｐｅｎｄｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）和精简媒质独立接口ＲＭＩＩＲｅｄｕｃｅｄ ＭＩＩ利用时可选择任一接口，同时连合片外速率为１０／１００Ｍｂｐｓ的ＰＨＹ芯片接口还可以计划多种范例的应用产品。别的，ＥＭＣ支持长帧（长度大于１５１８ 字节）和短帧（长度小于６４ 字节）两种帧布局，并且对外部的ＰＨＹ也具有站点办理成果。

ＮＡＴ加快器 Ｐａｔｅｎｔ Ｐｅｎｄｉｎｇ重要用来提供硬件加快成果，其目标是加快端口和ＩＰ地点的查寻及网络地点的转移，此中包括ＭＡＣ地点的转移。同时，ＮＡＴ加快器还可提供６４项地点转移列表。Ｗ９０Ｎ７４０有两个通道可用于通用直接存储器访问ＧＤＭＡ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ）。在ＣＰＵ不干涉的环境下，ＧＭＤＡ控制器可直接控制以下三种情势的数据传输：即存储器与存储器之间、存储器至Ｉ／Ｏ之间以及Ｉ／Ｏ至存储器之间。

基于停止操纵的ＵＡＲＴ模块具有全设置的ＭＯ-ＤＥＭ控制成果（ＣＴＳ，ＲＴＳ，ＤＳＲ，ＤＴＲ，ＲＩ和ＤＣＤ等），其重要作用是完成来自外围配置（如ＭＯＤＥＭ等）的串并转换和来自ＣＰＵ的并串转换。高级停止控制器ＡＩＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）具有１８此停止源，此中包括４个外部停止源。它们可以机动地设置成可编程的ＩＲＱ或ＦＩＱ停止模式，并可对４个外部停止源举行可编程的边沿触发或优先级触发。同时，也可对其举行可编程的低使能或高使能。在停止嵌套时，ＡＩＣ可主动检测出低优先级停止。

别的，Ｗ９０Ｎ７４０具有两个带８ 位优先级的定时器和一个可编程的２４位看门狗定时器，这些定时器有短模式、周期模式和插入模式三种事变模式。同时具有２１个可编程Ｉ／Ｏ接口，这些Ｉ／Ｏ接口可设置成多种成果的接口。Ｗ９０Ｎ７４０的ＪＴＡＧ调试接口支持多种调试开辟东西。

３　Ｗ９０Ｎ７４０的应用

３．１ Ｗ９０Ｎ７４０在ＶｏＩＰ路由器用户板中的应用

在ＶｏＩＰ（Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒ ＩＰ）路由器用户板的计划中，笔者选用Ｗ９０Ｎ７４０来举行信息包解包，其体系硬件布局如图３所示。其事变进程如下：

起首将来自用户接口的语音数据颠末语音处理惩罚模块处理惩罚以孕育产生ＰＣＭ语音数据，然后将其发送给ＤＳＰ处理惩罚器并由ＤＳＰ对该ＰＣＭ语音数据举行应声抵消、语音压缩等序列处理惩罚，接着由Ｗ９０Ｎ７４０封装控制信息打包，再由ＵＡＲＴ口发送给双端口ＲＡＭ，末了送给ＶｏＩＰ路由器主板。与此相反，由路由器主板把从网络吸取到的语音数据包颠末双端ＲＡＭ发送给Ｗ９０Ｎ７４０，由其ＭＡＣ举行解包处理惩罚并去除控制信息，而后得到语音压缩包，经ＭＡＣ０口发送给ＤＳＰ并由ＤＳＰ举行语音解码等处理惩罚后，得到ＰＣＭ语音数据送回到语音处理惩罚模块；末了由用户接口送给用户端。这里，Ｗ９０Ｎ７４０与ＤＳＰ芯片之间采取的事变方法是主从方法，ＣＰＵ为主控配置，ＤＳＰ为从配置，重要实现整个体系的控制、ＤＳＰ步伐的下载和语音数据包的发送等成果。

３．２ Ｗ９０Ｎ７４０在别的范畴的应用

由于Ｗ９０Ｎ７４０内置有两个以太网 ＭＡＣ和ＵＳＢ 主机以及３２位ＡＲＭ的微控制器，因此，它和Ｗ９９６８４ＣＢＭ或Ｗ９９６８８ＣＢＭ３数字相机芯片连合可构成为网络相机。如许，连上彀络，利用者便可以透过计算机或彩屏手机随时监督远方场景。

Ｗ９０Ｎ７４０在税控机、快速闪存、打印机服务器、无线接入点、用户网关、ＧＰＳ、局域网监控等体系无疑将具有遍及的用途。