در این تحقیق به میکروپروسسورهای PXA250 & PXA210 پرداخته می شود.
این میکروپروسسورها میزان سرعت پردازش در برنامه های پردازشی قابل حمل، مانند pc pocket ها را افزایش می دهند.
هرکدام از این پروسسورها در اصل یک سیستم مجتمع با قابلیت پردازش بالاست که روی یک تراشه قرار دارد و شامل یک Intel XScale Core می باشد که دارای توان پائین می باشد همراه با تعدادی از سیستمهای جانبی مختلف.
PXA250 یک پردازشگر 17x17mm با 256 پایه می باشد.
این بسته PBGA برای سیستمهای با کارآئی بالا قابل استفاده است.
این پکیج دارای گذرگاه داده 32 بیتی می باشد و همچنین دارای مجموعه کاملی از سیستمهای جانبی است.
ویژگیهای Intel® XScale™ Core
ARM™ نسخه 5TE ISA
پشتیبانی دستورالعملهای ARM
دستورالعملهای پیشرفته ARM DSP
توان مصرفی پائین و در عین حال کارآئی بالا
تکنولوژی پردازش محیط اینتل
ضرب 16 بیتی پیشرفته
انباره 40 بیتی
حافظه دستورالعمل 32 KByte
حافظه داده 32 KByte
حافظه کوچک داده 2 KByte
حاقظه کوچک دستورالعمل 2 KByte
واحدهای مدیریت داده و دستورالعمل
بافر انشعاب مورد نظر
گنجایش اشکال زدائی از طریق پورت JTAG
ویژگیهای سیستم یکپارچه
کنترل کننده حافظه
کنترل کننده های ساعت و توان
گذرگاه سرویس گیرنده سریال
کنترل کننده DMA
کنترل کننده LCD
AC97
I2C
کارت Multimedia
ارتباط FIR ( Fast Infrared Port )
پروتکل پورت سریال همزمانی
I2S
پینهای همه منظوره I/O
UARTs
ساعت واقعی
تایمرهای OS
مدولاسیون پهنای پالس
کنترل کننده وقفه
کنترل کننده حافظه
کنترل کننده حافظه، سیگنالهای کنترلی قابل برنامه ریزی و زمانبندی را برای مجموعه ای از انواع تراشه های حافظه و سازماندهی حافظه تامین می کند.
این کنترلر تا 4 قسمت SDRAM ، 6 تا انتخاب تراشه استاتیک برای SRAM ، SSRAM ، Flash ، ROM ، SROM و تراشه های جانبی و همچنین 2 تا PCMCIA یا اسلاتهای فشرده flash را پشتیبانی می کند.
پروسسورهای PXA250 ، PCMCIA ، Flash فشرده یا I/O های مختلف را پشتیبانی نمی کنند.
کنترل کننده های ساعت و توان
این پروسسورها توسط کلاک راه اندازی می شوند که این ساعتها توسط کریستالهای 3.6864 MHz و یک کریستال انتخابی 32.768 MHz ایجاد می شوند.
کریستال 3.6864 MHz یک فاز Locked Loop (PLL) و یک PLL جانبی را راه اندازی می کند.
PLLs فرکانسهای ساعت مورد نیاز را برای راه اندازی بلاکهای عملگر را تولید می کند.
کریستال 32.768 MHz یک کلاک انتخابی را ایجاد می کند که باید پس از یک reset سخت افزاری انتخاب شود.
این کلاک ساعت واقعی ، کنترلر مدیریت توان و کنترلر وقفه را راه اندازی می کند.
کریستال 32.768 MHz بر روی یک ثسمت جدا برای ایجاد ساعت فعال قرار دارد و در این کار را هنگامیکه پروسسور در وضعیت خواب قرار دارد، انجام می دهد.
مدیریت توان تغییر حالت بین وضعیت های Turbo/Run ، Idle و Sleep را انجام می دهد.
سرویس دهنده Universal Serial Bus ( USB )
سرویس دهنده USB بر پایه خصوصیات تجدید نظر شده USB بنا شده است که تا 16 نقطه پایانی را پشتیبانی می کند و کلاک 48 MHz داخلی را مهیا می کند.
کنترلر USB همچنین FIFOs را با دسترسی DMA به یا از حافظه را ایجاد می کند.
کنترلر (DMAC) DMA
DMAC این قابلیت را دارد که 16 تا کانال الویت بندی شده را برای سرویس دادن به انتقال درخواستها از دستگاههای جاتبی داخلی و تا سقف دو درخواست انتقال داده از تراشه های خارجی، مهیا کند.
DMAC امکان تغییر command و ایجاد حلقه را نیز دارد.
DMAC هنگامیکه انتقال حافظه به حافظه، حافظه به سیستم جانبی و سیستم جانبی به حافظه صورت می گیرد، در مد flow-through اجرا می شود.
DMAC با سیستمهای جانبی سازگار است که سایز داده در آنها word, half word یا byte باشد.
کنترلر LCD
کنترلر LCD هر دو حالت منفعل و فعال نمایشگر مسطح را پشتیبانی می کند و ماکزیمم رزولوشن 800x600x16 bit/ pixel را پشتیبانی می کند.
یک پالت ورودی 256 ، پیکسلهای رمزگشوده شده 1، 2و 8 بیتی را گسترش می دهد.
پیکسلهای 16 بیتی رمزگشائی نشده، پالت را پشت سر می گذارند.
دو کانال DMA این امکان را به کنترلر LCD می دهد که پنل نمایشگر single و dual را پشتیبانی کند.
مد تک رنگ منفعل تا 256 سطح سیاه و سفید را پشتیبانی می کند و مد منفعل رنگی تا 64KB رنگ را پشتیبانی می کند.
مد فعال رنگی تا 64KB رنگ را پشتیبانی می کند.
کنترلر AC97
کنترلر AC97 تجدیدنظر شده 2.0 CODECs می باشد.
این CODECs در سرعت نمونه 48 KHz اجرا می شوند.
این کنترلر کانالهای 16 بیتی مستقل را برای Stereo PCM In، Stereo PCM Out، Modem In، Modem Out و Mono microphone In مهیا می کند.
هر کانال شامل یک FIFO می شود که دسترسی DMA را به حافظه پشتیبانی می کند.
کنترلر Inter-IC Sound
کنترلر I2S یک لینک سریال به I2S CODECs استاندارد برای صدای استریو دیجیتال ایجاد می کند.
این کنترلر 4 سیگنال برای اتصال به یک I2S CODEC دارد.
این سیگنالها توسط پین های کنترلر AC97 مالتی پلکس مسپی شوند.
این کنترلر شامل FIFOs که دسترسی DMA به حافظه را ممکن می سازد، می شود.
کنترلر I2S یک لینک سریال به I2S CODECs استاندارد برای صدای استریو دیجیتال ایجاد می کند.
این کنترلر شامل FIFOs که دسترسی DMA به حافظه را ممکن می سازد، می شود.
کنترلر کارت مالتی مدیا ( MMC ) کنترلر MMC یک واسط سریال استاندارد به کارت حافظه را ایجاد می کند.
این کنترلر تا دو کارت در MMC یا مدهای SPI با انتقال دیتای سریال تا 20 Mbps را پشتیبانی می کند.
کنترلر MMC نیز FIFOs را که دسترسی DMA به حافظه و از حافظه را شامل می شود، پشتیبانی می کند.
پورت ارتباطی Fast Infrared (FIR) پورت ارتباطی FIR بر پایه داده های 4Mbps می باشد.
پورت ارتباطی FIR ، پینهای STUART’s ارسال و دریافت به دستگاههای خارجی را استفاده می کند.
SSPC پورت SSPC یک واسط همزمان ساز سریال full-duplex را مهیا می کند که در bit rate بین 7.2KHz و 1.84KHz اجرا می شود.
کنترلر SSPC نیز FIFOs را که دسترسی DMA به حافظه و از حافظه را شامل می شود، پشتیبانی می کند.
I2C بخش واسط باس I2C توسط 2 پین، پورت سریال ارتباطی همه منظوره را ایجاد می کند.
این واسط یک پین را برای داده و آدرس و پین دیگر را برای کلاک استفاده می کند.
GPIO هر پین GPIO می تواند هم به عنوان ورودی و هم به عنوان خروجی برنامه ریزی شود.
ورودیها می توانند بر روی لبه های بالا رونده یا پائین رونده، تولید وقفه کنند.
پینهای اولیه GPIO تا زمانیکه پینهای ثانوی GPIO توابع را جانشین کنند تا در حافظه نگاشت شوند، بصورت اشتراکی استفاده نمی شوند.
UARTs هر UART می توانند به عنوان یک فرستنده/گیرنده SIR بر مبنای SIR بکار رود.
FFUART Baud rate در FFUART تا 320 Kbps برنامه ریزی شده است.
FFUART مجموعه کاملی از پینهای کنترلی مودم را مهیا می کند: nCTS,nRTS,nDSR,nDTR,nRI و nDCD .
FIFOs را که دسترسی DMA به حافظه و از حافظه را شامل می شود، را نیز پشتیبانی می کند.
Bluetooth UART(BTUART) Baud rate تا 921 Kbps قابل برنامه ریزی است.
BTUART یکسری از پینهای کنترلی را مهیا می کند: nCTS و nRTS .
Standard UART (STUART) Baud rate تا 230 Kbps قابل برنامه ریزی است.
STUART هیچ پین کنترلی را تولید نمی کند.
پینهای ارسال و دریافت در STUART با پورت ارتباطی Fast Infrared ، مالتی پلکس شده اند.
OS timer OS timer برای تولید یک کانتر 3.68 MHz با 4 رجیستر بکار می رود.
Interrupt Control کنترلر Interrupt وقفه های ارسالی از پروسسور به IRQ و FIQ را کنترل می کند.
رجیستر پنهانی سورس وقفه را فعال یا غیر فعال می کند.
Block Diagram نوع بسته PXA250 یک پروسسور در سایز 17x17 mm PBGAاست وPXA210 پروسسوری در سایز 13x13 mm T-PBGA است که فقط دیتا باس 16 بیتی را پشتیبانی می کند.
Coprocessor 7 Register 4- PSFS Bit بیت پنجم از این رجیستر به عنوان بیت وضعیت منبع توان یا بیت PSFS شناخته شده است.
این بیت هنگامی ست می شود که پینهای nVDD_FAULT یا nBATT_FAULT اعلان شوند و بیت Data Abort Enable (IDAE) در کنترل رجیستر مدیریت توان ست شود.
Coprocessor 14 Registers 0-3 performance Monitoring این پروسسور ویژگی مانیتورینگ را پوشش می دهد.
Coprocessor 14 Registers 6-7 clock and power این رجیسترها اجازه استفاده نرم افزار از مد های مدیریت توان و کلاک را می دهد.
Coprocessor 15 Registers 0-ID Register Definition این رجیستر توسط نرم افزار برای نوع و یا تجدید نظر در سیستم بکار می رود.
محتویات این رجیستر برای پروسسورهای PXA250 & PXA210 در جدول زیر نمایش داده شده است.
Coprocessor 15 Register 1-P-Bit بیت 1 از این رجیستر به عنوان بیت خصوصیات Page Table Memory یا P-Bit شناخته شده است.
در حالت پیش فرض با صفر مقداردهی شده است.
همچنین P-Bit در MMU نیز با صفر مقداردهی شده است.
I/O Ordering پروسسور کاربردی، صفی را استفاده می کند که درخواستهای حافظه که از سه قسمت داخلی: هسته، DMA Controller و LCD Controller ارسال می شوند را می پذیرد.
امکان دارد که عملگرهای ارسال شده از یک قسمت توسط عملگرهای فرستاده شده از قسمت دیگر، دچار وقفه شود.
این پروسسور یک روتین تعریف شده برای منظم سازی ترتیب دستورات ارسال شده از قسمتهای مختلف ندارد.
Load و Store هائی که به آدرسهای داخلی مربوط می شوند، سریعتر از دستوراتی که به آدرسهای خارجی مربوط می شوند، تکمیل می شوند.
در ترتیب دستورات store زیر دقت کنید.
Store در آدرس r4 قبل از اینکه دستور Store در آدرس r2 کامل شود، تکمیل می شود زیرا دستور Store در آدرس r2 منتظر حافظه است درصورتیکه دستور Store دیگر نیازی به تاخیر ندارد.
str r1, [r2] ; store to external memory address [r2].
str r3, [r4] ; store to internal (on-chip) memory address [r4].
اگر هردو Store عملگرهای کنترلی بودند که باید به ترتیب اجرا می شدند، ترتیب پیشنهادی این است که یک دستور Load را در یک صفحه حافظه که بافر و کش نشده، قرار داده: str r1, [r2] ; first store issued ldr r5, [r6] ; load from external unbuffered, uncached address ([r2] if possible) mov r5, r5 ; nop stalls until r5 is loaded str r3, [r4] ; second store completes in program order Semaphores دستورات Swap (SWP) و Swap Byte (SWPB) برای دستکاری سمافور بکار می روند.
نمی توانیم توسط یک پروسه به مکانی از حافظه بین Load و Store از یک دستور SWP یا SWPB در یک مکان مشترک دست یابیم.
امکان دارد یک سمافور به علت یک دستور خارجی که از MBREQ/MBGNT استفاده کرده است، دچار وقفه شود.
Interrupts تمام وقفه های on-chip فعال، mask و وابسته به FIQ یا IRQ هستند.
هر وقفه توسط یک بیت وقفه فعال یا غیر فعال می شود.
تمام بیتهای وقفه در در قسمت Interrupt Controller ، با هم و بصورت واحد به یک مقدار واحد ست می شوند.
هر وقفه، به رجیستر Interrupt Controller Mask رفته و سپس به سمت IRQ یا FIQ بسته به سطح وقفه راهنمائی می شود.
وقتی یک وقفه رخ می دهد، ابتدا نرم افزار باید منبع ایجاد وقفه را تائید کند و پس از شناسائی منبع وقفه باید به وقفه سرویس دهد و وقفه را از منبع وقفه حذف کند تا دوباره همان وقفه تکرار نشود.
پاک کردن وقفه ممکن است که ایجاد وقفه کند.
برای اینکه بیت وضعیت قبل از برگشت از یک سرویس روتین وقفه، بتواند پاک شود، باید وقفه را زودتر در روتین پاک کرد.
RESET این پروسسور می تواند با سه روش reset شود: Hardware, Watchdog, GPIO .
در روش Hardware Reset ، پین nRESET مقدلردهی می شود و تمام بخشها را وادار به reset می کند.
در روش Watchdog Reset ، reset نتیجه رخداد یک time out در OS timer است.
این نوع reset ، بصورت پیش فرض غیرفعال است و باید توسط برنامه نویسی و نرم افزار فعال شود.
GPIO Reset یک reset نرم افزاری است.
این روش کمتر از دو روش دیگر که ذکر شد به سیستم آسیب می رساند.
هر نوعی از reset ها روی وضعیت پین ها تاثیر می گذارد.
وقتی در وضعیت Sleep Mode هستیم، موجب Sleep Mode Reset می شود و این تنها نوع reset است که روی وضعیت پین ها تاثیر نمی گذارد.
RCSR ( Reset Controller Status Register ) ، اطلاعات مربوط به نوع reset را شامل می شود که Sleep Mode Reset را نیز شامل می شود.
در جدول صفحه بعد، تاثیر انواع مختلف از reset را بر روی وضعیت رجیسترهای داخلی می توانیم ببینیم.
Internal Registers تمام رجیسترهای داخلی در فضای فیزیکی حافظه در یک محدوده آدرس 32 بیتی نگاشت می شود.
برای دسترسی به رجیسترهای داخلی باید از load و store بصورت word استفاده کرد.
فضای رجیستر داخلی باید بصورت non-cacheable نگاشت شود.
دسترسی بصورت Byte و halfword به رجیستر داخلی امکانپذیر نیست و در صورت استفاده منجر به نتایج غیر قابل پیش بینی می شود.
فضای رجیستری، در صورتیکه رجیستر نگاشت نشده است، بصورت یک فضای رزرو شده در نظر گرفته می شود.
خواندن یا نوشتن در فضای رزرو شده، منجر به نتایج غیر قابل پیش بینی می شود.
این پروسسور تمام مکانهای بیت رجیستر را استفاده نمی کند.
مکانهای بیتهای استفاده نشده به عنوان رزرو شده علامتگذاری می شوند و برای استفاده در آینده رزرو می شوند.
بیتهای رزرو شده با صفر نوشته شده اند.
در هنگام خواندن، مقدار این بیتها نادیده گرفته می شوند زیرا نتیجه حاصل از خواندن آنها غیر قابل پیش بینی است.
Selecting Peripherals vs.
General Purpose I/O اکثر سیستمهای جانبی توسط GPIOs به پین های خارجی متصل می شوند.
برای استفاده از یک سیستم جانبی که توسط GPIO متصل شده است، در ابتدا نرم افزار باید GPIO را تنظیم کند سپس سیستم جانبی مورد نظر به پین مربوطه وصل می شود.
حالت پیش فرض پین ها بصورت GPIO input می باشد.
برای تخصیص یک پین به یک سیستم جانبی، GPIO را برای آن پین غیر فعال می کنیم سپس با انتخاب تابع مناسب برای آن پین، تابع سیستم جانبی را به به پین نگاشت می کنیم.
پس از اینکه یک تابع برای یک پین انتخاب شد، تابع های بعدی نیز می توانند افزوده شوند و به همین دلیل است که گاهی اوقات برخی از سیستم های جانبی به multiple GPIOs نگاشت می شوند.
Power on Reset and Boot Operation قبل از اینکه وسیله ای که این پروسسور را استفاده می کند، روشن شود باید سیستم nRESET و nTRST را مقدلردهی کند.
قبل از ان باید برای شروع بکار کلاک های داخلی، تمام منابع تغذیه برای مدت زمان مشخصی پایدار و ثابت بمانند.
هنگامیکه nRESET مشخص شد، nRESET_OUT فعال شده و می تواند برای reset کردن دیگر وسایل در سیستم بکار رود.
وقتی که nRESET و nTRST مشخص شدند، پروسسور پس از یک زمان مشخص، nRESET_OUT را مشخص کرده و وسیله از آدرس فیزیکی واقع در مکان 0x0000 0000 شروع به boot شدن می کند.
پین های BOOT_SEL[2:0] وقتی که reset انجام می شود، نمونه برداری می شوند و این اجازه را به کاربر می دهند که نوع و پهنای حافظه ای که وسیله موردنظر برای boot شدن نیاز دارد را مشخص کند.
Power Management پروسسور موردنظر، چند نوع مد کاری را برای مدیریت توان در سیستم پیشنهاد می کند: Turbo Mode : با تاخیر کم بین فرکانس دو برنامه سوئیچ می کند.
Run Mode : مد نرمال با اجرای کل برنامه.
Idle Mode : کلاک های مرکزی متوقف می شوند، در صورت رخداد یک وقفه دوباره راه اندازی می شوند.
Sleep Mode : مد توان کم که وضعیت موجود را ذخیره نمی کند ولی توان ورودی/ خروجی را ذخیره می کند.
مدیریت توان، RTC و مدول های کلاک ذخیره می شوند.
در مد توان کم، باید مطمئن شد که پین های ورودی شناور (floating) نباشند و پین های خروجی نیز نباید توسط یک وسیله خارجی راه اندازی شوند.
جریان جاری که در مد Sleep قرار دارد یا جریانی که بین قسمتهای مختلف برقرار است، نشانه ای از پین های شناور است.
Pin List برخی از پین های پروسسور می توانند به سیگنالهای چندگانه (multiple) متصل شوند.
سیگنال متصل به پین توسط رجیستر انتخاب تابع GPIO (GAFRn_m) مشخص می شود.
برخی از سیگنالها نیز می توانند به چند پین متصل شوند.
سیگنالی که فقط به یک پین می رود، از رجیسترهای GAFRn_m استفاده می کند.
جدول زیر انواع پین ها را مشخص می کند: Memory Map دسترسی به قسمتهای رزرو شده از نگاشت حافظه نتایج غیر قابل پیش بینی خواهد داشت.
اینترفیس PCMCIA به سوکت0 و سوکت 1 تقسیم شده است و این دو قسمت هم هرکدام به بخشهای I/O ، حافظه و فضای خصوصیات تقسیم شده اند.هرکدام 128 MB از فضای خافظه را شامل می شوند.
DMA Controller در این بخش به تشریح(DMAC) on-chip DMA Controller برای PXA250 و PXA210 می پردازیم.
انتقال داده های DMAC به حافظه اصلی و از حافظه اصلی با درخواست سیستم های جانبی داخلی و خارجی صورت می گیرد.
سیستم های جانبی مستقیما آدرس و دستور را برای سیستم حافظه تامین نمی کنند.
DMAC دارای 16 کانال DMA ، از 0 تا 15، می باشد و هر درخواست DMA از سیستمهای جانبی در حداقل یک سیکل گذرگاه حافظه انجام می گیرد.
DMA Description DMAC فقط انتقالات flow-through را پشتیبانی می کند.
این انتقالات داده را از DMAC قبل از اینکه داده در مقصد در بافر یا حافظه لچ شود، عبور می دهد.
این DMA Controller می تواند انتقالات حافظه به حافظه را توسط انتقالات flow-through انجام دهد.
DMAC Block Diagram DMAC Channels هر DMAC دارای 16 کانال می باشد که هرکدام توسط رجیستری 32 بیتی کنترل می شوند.
هر کانل می تواند برای سرویس دادن به یک سیستم جانبی داخلی یا خارجی برای انتقالات flow-through بکار رود.
Burst size و پهنای پورت برای هر وسیله در رجیسترهای کانال برنامه ریزی شده است و به عمق FIFO و پهنای باند بستگی دارد.
باید توجه شود که burst size باید برابر با وقفه FIFO DMA که با سطح فعال می شود، ست شود که سطح FIFO threshold نامیده می شود.
وقتی چند کانال بطور همزمان با هم فعال هستند، هر درخواستی که از جانب یک سیستم جانبی برای دیتا صورت می گیرد بصورت دستور خواندن و نوشتن نمود پیدا می کند.
یک سیستم جانبی نمی تواند درخواست یک انتقال DMA بدهد مگر اینکه یک بلاک کامل دیتا خوانده یا نوشته شود.
خواندن و نوشتن کمتر از یک بلاک در انتهای انتقال DMA صورت می گیرد.
Signal Descriptions سیگنالهای DREQ[1:0], PREQ[37:0] و DMA_IRQ توسط DMAC کنترل می شوند، بصورتیکه در جدول زیر نمایش داده شده است.