Advanced RISC Machines

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.

Ядро CPU	Площадь кристалла	Потребление (mW/MHz)	Тактовая частота	Производительность	Ядро CPU	Кэш	Управление памятью
ARM7TDMI  ARM RISC  ядро с Thumb и EmbeddedICE	1,0 мм2 при 0,25мкм  2,1 мм2 при 0,35 мкм  4,8 мм2 при 0,6 мкм	Пиковое: 1,2  Среднее: 0,6  Idle: < 100 мкВт, при 3,3 В, CMOS 0,35 мкм	66 МГц при нормах 0,35 µ м, CMOS	0,9 MIPS/MHz 59 MIPS при 66 МГц	N/A	N/A	N/A
ARM710T  Кэшированное процессорное макроядро	5,8 мм2 при 0,25 мкм  11,7 мм2 при 0,35 мкм	Пиковое: 3,6  Среднее: 1, 8  Idle: < 100 мкВт при включенном кэш, 3,3 В, 0,35мкм CMOS	59 МГц при нормах 0,35мкм CMOS	53 MIPS при 59МГц	ARM7TDMI	8 Кбайт единый кэш	MMU с полной поддержкой виртуальной  памяти
ARM740T  Кэшированное процессорное макроядро	4,9 мм2 при 0,25 мкм  9,8 мм2 при 0,35 мкм	Пиковое: 3,5  Среднее: 1,6  Idle: <100 мкВт при включенном кэш, 3,3 В, 0,35мкм CMOS	59 МГц при нормах 0,35мкм CMOS	53 MIPS при 59МГц	ARM7TDMI	8 Кбайт единый кэш	Простая Конфигурация Памяти и Защиты
ARM720T  Кэшированное процессорное макроядро с MMU для WindowsCE	5,8 мм2 при 0,25мкм  11,7 мм2 при 0,35 мкм	Пиковое: 3,6  Среднее: 1,8  Idle: < 100 мкВт при включенном кэш, 3,3 В, 0,35мкм CMOS	59 МГц при нормах 0,35мкм	53 MIPS при 59МГц	ARM7TDMI	8 Кбайт единый кэш	MMU с полной поддержкой виртуальной  памяти и быстрого контекстного  переключения

 

    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.    

Более полное представление об уровне интеграции макроядер можно получить сравнив блок-схему ядра ARM7TDMI с  блок-схемой макроядра ARM710T, приведенной  на Рис.3.

Рис. 3. Блок-схема макроядра ARM710T

Рисунок из файла DDI-0086B.pdf (стр. 1-3). Адрес страницы - http://www.arm.com/Pro+Peripherals/Index.html     

В процессорных макроядрах ARM710T, ARM720T и ARM740T используется стандартный интерфейс  шины AMBA фирмы ARM, упрощающий проектирование ASIC, базирующихся на этих ядрах, обеспечивающий использование стандартной периферии из библиотек фирмы ARM и способствующий многократному использованию схемотехнических решений. Кроме того, шина AMBA упрощает тестирование глубоко встроенных ядер ARM без модификации логики тестирования или тестовых таблиц.    

Макроядра оснащены портами для  присоединения встраиваемых сопроцессоров, что обеспечивает расширение функциональных возможностей макроядер ARM7XXT архитектурно непротиворечивым способом.    

 
Ядро ARM7TDMI-S^TM, являющееся последним пополнением семейства ARM7T, это Thumb-ориентированное синтезируемое 32-разрядное RISC ядро с изменяемой конфигурацией, высокой производительностью и малым потреблением.    

Ядро ARM7TDMI-S программно совместимо с  популярным ARM7TDMI ядром, так что программы  для каждого ядра могут разрабатываться на одних и тех же средствах разработки программного обеспечения и основное отличие ядра ARM7TDMI-S от ARM7TDMI ядра заключается в том, что ядро ARM7TDMI-S является полностью синтезируемым - обеспечивающим простую интеграцию в современные технологии изготовления ASIC а это, в свою очередь, способствует сокращению срока выхода применений на рынок. Кроме того, ядро ARM7TDMI-S оптимизируется в процессе синтеза самой фирмой - изготовителем на получение наивысшей производительности элементов используемой библиотеки или на обеспечение специальных требований применения. Тестирование в процессе производства и широкий диапазон средств выявления дефектов также расширяют возможности ядра ARM7TDMI-S. 

При разработке ядра ARM7TDMI-S учитывались требования современной методологии синтеза:

1. Стратегия однотактового выполнения операций и синхронная схемотехника
2. Однонаправленный шинный интерфейс
3. Отсутствие ложных путей
4. Параметризуемые скрипты для получения необходимых размеров и производительности
5. Доступность как в VHDL, так и в Verilog

 

    Варианты минимальной  стоимости проекта на основе ядра ARM7TDMI-S реализуются средствами селективного синтеза. Уменьшенный размер кристалла  может быть получен за счет исключения логики EmbeddedICE или использования упрощенной схемы умножителя. Кроме того, исключение логики EmbeddedICE увеличивает уровень защиты программ и данных в требующих повышенных средств защиты применениях типа смарткарт. На основе базового ядра ARM7TDMI-S могут быть синтезированы четыре ядра:

Синтезируемое ядро	Умножитель*	Логика EmbeddedICE
ARM7TDMI-S	Расширенный	Имеется
ARM7TDI-S	Упрощенный	Имеется
ARM7TM-S	Расширенный	Отсутствует
ARM7T-S	Упрощенный	Отсутствует

 

    *Примечание: 
Расширенный: умножение 8-разрядов/цикл с 64-разрядным результатом и аккумулированием. 
Упрощенный: умножение 2-разрядов/цикл с 32-разрядным результатом и аккумулированием.

Встроенная системная шина AMBA    

Под приборами класса система-на-кристалле, в общем случае, подразумеваются  приборы на едином кристалле которых интегрированы процессор (процессоры, в том числе специализированные), некоторый объем памяти, ряд периферийных устройств и интерфейсов - т.е. максимум того, что необходимо для решения задач, поставленных перед системой. Фирмой ARM, кроме уже упоминавшихся ядер семейств ARM7 и ARM7TDMI и ряда семейств, которые будут рассматриваться ниже, разработан набор макроячеек периферийных компонентов, которые фирма на основе лицензионных соглашений предоставляет заказчикам. Периферийные компоненты фирмы ARM, библиотека которых получила наименование PrimeCell, представляют собой готовые к применению отработанные программные макроячейки, при разработке которых обращалось внимание на возможность многократного их использования, и применяя PrimeCell периферию разработчик существенно экономит время и стоимость разработки за счет концентрации усилий на создании именно системы на кристалле, а не на разработке сначала необходимой периферии и лишь затем системы. В настоящее время в библиотеку входят: UART, контроллеры SDRAM, синхронные последовательные интерфейсы, часы реального времени, аудио кодеки, средства I/O общего назначения, интерфейсы смарт карт, контроллеры цветных LCD. Ведутся работы по дальнейшему расширению библиотеки.     

Производительность  приборов класса система-на-кристалле в значительной мере зависит от эффективности взаимодействия всех встроенных компонентов и от эффективности их взаимодействия с внешним, относительно прибора, миром. В первую очередь это связано с различием в быстродействии встроенных компонентов, в особенностях организации интерфейсов.     

При рассмотрении макроядер ARM710T, ARM720T и ARM740T была упомянута шина AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) - шина разработанная фирмой ARM для организации эффективного взаимодействия компонентов приборов, построенных на базе ядер фирмы. Шина AMBA - стандартная встроенная ASIC шина обеспечивающая быстрое модульное проектирование систем при упрощении многократного использования схемотехники и тестов. ARM также обеспечивает возможность использования библиотеки PrimeCell периферии, которая соответствует AMBA стандарту и обеспечивают простую разработку ASIC и ASSP. При использовании AMBA с синтезируемыми версиями периферийных устройств, аппаратные средства системы и программное обеспечение могут быть разработаны на начальном этапе проектирования и, следовательно, может быть снижен риск ошибок проектирования конечной системы.    

Блок-схема шины AMBA в прибора типа персонального информационного устройства (PDA), реализованного на основе ядра ARM, макроячеек библиотеки PrimeCell и шины AMBA, представлен на Рис. 1.

Рис. 1. Пример прибора класса система-на-кристалле, использующего шину AMBA

 

    Типовая шина AMBA содержит системную шину (в данном случае AHB) и шину периферии (APB).    

Системная шина соединяет встраиваемые процессоры, такие как ARM ядра, с высокопроизводительной периферией, контроллерами DMA, встроенными  памятью и интерфейсами. Это высокоскоростная, с широкой полосой пропускания шина, поддерживающая, для обеспечения максимальной производительности, управление c большим количеством ведущих устройств (Multi-master bus management).    

Шина периферии - работает с упрощенным протоколом и разработана для организации интерфейса с периферийными устройствами общего назначения или дополнительными периферийными устройствами. С cистемной шиной она соединяется через мост (bridge), способствующий снижению потребления системы.    

В спецификации шины AMBA определена методология тестирования, обеспечивающая быстрое тестирование модулей и кэш.

Системная шина AMBA

 

    Новая спецификация AMBA Rev 2.0 Specification определяет два типа системной шины:

1. AHB - развитая высокопроизводительная шина
2. ASB - развитая системная шина

Развитая высокопроизводительная шина (Advanced High-performance Bus - AHB)

 

    Шина AHB используется в высокопроизводительных системах класса система-на-кристалле и соответствует  современным требованиям предъявляемым  процессом синтеза приборов с уровнем интеграции система-на-кристалле.

1. Синхронизация нарастающим фронтом каждого тактового сигнала
1. Использование каждого тактового импульса обеспечивает максимальную производительность.
2. Временная диаграмма соответствует требованиям последовательности процесса синтеза.
2. Работает в режиме с множеством ведущих
1. Производительность системы оптимизируется за счет разделения ресурсов между различными ведущими на шине, такими как главный процессор, контроллеры DMA, другие процессоры или сопроцессоры.
3. Конвейерные и пакетные пересылки
1. Конвейерная работа обеспечивает обращение к быстродействующей памяти или периферии без использования режимов ожидания, без холостых циклов шины.
2. Пакетная работа позволяет оптимально использовать интерфейс с памятью за счет предоставления дополнительной информации о характере пересылаемых данных.
4. Поддержка разделения транзакций
1. Обеспечивает максимальное использование полосы пропускания системной шины за счет высвобождения ее от медленных ведомых устройств на время завершения их внутренних операций.
5. Возможность конфигурирования в широком формате (форматы от 32/64/128 до 1024 бит)
1. Поддерживает применения с широкоформатной встроенной памятью с интенсивным обменом данными и широкой полосой частот.