System Programing. Grupo: George Elias Ferreira da Silva Guilherme Maciel Ferreira

Transcrição

1 System Programing ARM9 Grupo: George Elias Ferreira da Silva Guilherme Maciel Ferreira Florianópolis, 21 de Fevereiro de 2007

2 Sumário Introdução...3 História...3 IP Cores...3 Família ARM9...4 Características gerais...4 A Família ARM9TDMI...4 A Família ARM9E...5 ARM9/9E vs MIPS...8 Aplicações...9 Nintendo DS...9 N-Gage...9 GP2X...9 BenQ S Programação...10 Glossário...11 Bibliografia...12

3 Introdução ARM, cuja sigla representa Acorn RISC Machine ou Advanced RISC Machines [1], é uma arquitetura de processadores RISC 32-bits com foco em sistemas embarcados. Em meio a seus inúmeros recursos úteis para dispositivos com escassez de recursos, destacamos a economia de energia, o que lhe garante o domínio do mercado de equipamentos móveis, onde o suprimento de energia é restrito e qualquer economia faz diferença. Segundo [2], hoje a família de processadores ARM engloba cerca de 75% de todas as CPUs embarcadas, tornando-a uma das mais bem sucedidas arquiteturas 32-bits do mundo. A arquitetura pode ser encontrada tanto em dispositivos portáteis (como PDAs, celulares, mídia players e consoles de vídeo game) quanto em periféricos (tal como discos rígidos e roteadores). História O ARM começou como um projeto na Acorn Computers Ltd em 1983, em 1985 foi lançado o primeiro modelo, que foi chamado ARM1. A próxima família, ARM2, foi lançada logo em seguida, no próximo ano, possuindo um barramento de dados e registradores de 32-bits e é possivelmente o mais simples processador 32-bits já desenvolvido, com apenas 30 mil transistores. O sucessor do ARM2, ARM3, vinha acompanhado de uma cache unificada de 4KB, o que lhe proporcionava ainda mais desempenho. Ao final dos anos 80, a Acorn, empresa que desenvolvia o ARM, começou a trabalhar junto com a Apple, dai a mudança da sigla de Acorn RISC Machine para Advanced RISC Machine, que acabou até virando o novo nome da empresa. Em 1991 foi lançado o ARM6, utilizado em alguns PDAs da Apple. Do ARM2 ao ARM6 foram acrescentados apenas 5 mil transistores a mais, passando de 30 para 35 mil. IP Cores O objetivo da ARM sempre foi vender cores. Intellectual property Core ou IP Core é uma unidade lógica reusável. Esse esquema permite que os cores ARM sejam utilizados nos mais diversos dispositivos, sistemas embarcados. Por exemplo, os fabricantes de um MP3 Player podem utilizar um módulo hardware para CODEC MP3 fabricado por terceiros, tirando deles a responsabilidade por desenvolver esse CODEC em software ou hardware.

4 Família ARM9 Existem duas famílias ARM9, ARM9TDMI e ARM9E, na qual a família ARM9E apresenta mais recursos que a ARM9TDMI. Todos os processadores da família ARM9TDMI implementam a arquitetura ARMv4T, que é a mesma implementada na família ARM7. Já a família ARM9E implementa uma versão mais recente da arquitetura, ARMv5TE, que possui uma variante chamada ARMv5TEJ, cuja diferença é o suporte a execução de bytecodes Java em hardware. A arquitetura ARMv5TE é a mesma implementada na família ARM10E e XScale. Família Arquitetura Core ARM9TDMI ARM9TDMI ARM9E ARMv4T ARMv5TE ARM920T ARM922T ARM940T ARM946E-S ARM966E-S ARM968E-S ARM996HS ARMv5TEJ ARM926EJ-S Divisão da família ARM9 Em razão disso, binários compilados para a arquitetura do ARM7 (conjunto de instruções ARMv4T) rodam em processadores das duas famílias ARM9 e também em XScale. Entretanto, binários compilados para a família de processadores ARM9E e XScale não são 100% compatíveis com processadores ARM mais antigos, uma vez que seu Instruction Set, ou Conjunto de Instruções, é maior. Características gerais As arquiteturas ARM utilizadas na família ARM9 incluem as seguintes características: Arquitetura Load/Store; Suporte apenas à endereços alinhados; Tamanho de instruções fixado em 32-bits para facilitar decodificação e pipelining. Embora tenha sido disponibilizado um recurso chamado Thumb que possibilita a redução do tamanho das instruções para 16-bits; Maioria das instruções executadas em um único ciclo; A Família ARM9TDMI A família ARM9TDMI foi construída a partir do processador com mesmo nome e, possui como principal característica um conjunto de instruções 16-bits chamado Thumb. Esse conjunto de instruções tem como objetivo diminuir o tamanho de código (aumentando a densidade), uma vez que ARM9 é uma família de processadores 32-bits. Tendo em vista dispositivos portáteis onde a escassez de recursos (como largura de

5 barramento) exige sua economia, a diminuição no tamanho do código, aliada a uma economia de energia, tornam a família ARM9 uma ótima opção para dispositivos móveis de comunicação e dispositivos automotivos. Todos os processadores desta família possuem: Cache de dados e de instruções separadas; Possibilidade de escolher o esquema de escrita em memória de write-through ou writeback, onde o esquema de escrita write-through possui write buffer de 8 entradas, evitando stalls no processador quando for escrever na memória externa; Freqüência de clock de 200MHz a 250MHz; Pipeline de 5 estágios; Gerenciamento de memória através de MMU, a qual entre outras coisas é responsável por traduzir endereços virtuais em endereços físicos; Uma única interface de barramento AMBA de 32-bits; Processador Cache (Instruções/Dados) Gerenciamento de memória ARM920T 16KB/16KB MMU ARM922T 8KB/8KB MMU ARM940T 4KB/4KB MPU Recursos da família ARM9 Freqüência de clock O diagrama de bloco dos processadores desta família são praticamente idênticos, diferenciando-se apenas no tamanho da chace. Diagrama de blocos do ARM920T A Família ARM9E A família de processadores ARM9E é uma extensão da família ARM9, e é mais direcionada a aplicações multimídia. Por possuir uma gama maior de recursos, além de uma arquitetura mais recente que a ARM9TDMI, ela é uma excelente escolha para dispositivos que manipulam mídia, como vídeo games e mídia players, micro

6 controladores, DSPs e aplicações Java. Diferente da outra família ARM9, os processadores da ARM9E são bem diferentes entre si, e têm aplicações distintas. Abaixo está um resumo dessas características, lembrando que nem todos os processadores possuem todas elas: Execução de Bytecodes Java diretamente em hardware, aceleração certa de 8 vezes em relação à VM [2]; Escrita cache write-through com write buffer de 16 entradas; Barramento de alto desempenho; Coprocessador de vídeo para aumentar desempenho no processamento de MPGE-4; Pipeline de 5 estágios; Conjunto de instruções para trabalhar com processamento de sinais digitais, DSP; Tamanho de cache variável; Processador Cache (Instruções/Dados) Gerenciamento de memória ARM926EJ-S Variável MMU Sim - Sim ARM946E-S Variável MPU Sim - Não ARM966E-S Não possui Não possui Sim - Não ARM968E-S Não possui DMA Sim - Não ARM996HS Não possui MPU Sim - Não Recursos da família ARM9E Recursos (DSP Java) Como já mencionado, os processadores desta família possuem aplicações e recursos bem distintos, isso faz com que apresentem os mais distintos diagramas de blocos. A seguir serão mostrados diagramas de alguns dos processadores desta família. Diagrama de blocos do ARM926EJ-S Através dos três diagramas mostrados é possível perceber o quão diferentes são as implementações dos processadores da família ARM9E. O primeiro fato que nos chama atenção é a ausência de cache no ARM968E-S, enquanto que nos outros dois há cache separada para dados e instruções.

7 Diagrama de blocos do ARM946E-S O core dos processadores é o mesmo para a família ARM9E, exceto o ARM926EJ- S, que possui um core com suporte a execução de bytecodes Java. Diagrama de blocos do ARM968E-S O esquema de gerenciamento de memória também difere entres os processadores, sendo que alguns possuem MMU enquanto outros possuem MPU.

8 ARM9/9E vs MIPS Tanto a família de processadores ARM quanto MIPS são RISC com foco em sistemas embarcados, uma vez que suas características de baixo consumo de energia e baixa dissipação de calor favorecem seu uso em tais sistemas. Ambas as famílias de processadores implementam diversas arquiteturas, que foram evoluindo ao longo do tempo: ARMv1 a ARMv7 para a família de processadores ARM; e MIPS I a MIPS V, MIPS 32 e MIPS 64 para a família de processadores MIPS. Segundo as fontes pesquisadas, não há arquitetura 64-bits disponível para os processadores ARM como há para MIPS (MIPS 64). Todos os processadores MIPS pesquisados possuem cache de dados e de instruções separadas, variando de 8 a 64 KB cada, enquanto que a família ARM9 oferece modelos sem memória cache ou cache unificada. O Instruction Set das duas famílias são muito parecidos, muitas instruções são praticamente idênticas sintática e semanticamente. As duas arquiteturas mapeiam periféricos através de endereços de memória. A arquitetura ARM possui 37 registradores, sendo apenas 15 acessíveis ao usuário de uso geral. Enquanto o MIPS possui 32 registradores.

9 Aplicações Os cores ARM9 das duas famílias podem ser encontrados nos mais diversos dispositivos, tal como celulares, PDAs, smart phones, set-top boxes, vídeo games, MP3 players, impressoras, câmeras digitais, filmadoras digitais, drivers de armazenamento, roteadores de banda larga (D-Link), etc. A seguir descreveremos com detalhes alguns dispositivos que utilizam ARM9. Nintendo DS Este handheld game console é fabricado pela Nintendo e possui dois processadores ARM, um ARM946E-S como principal e um ARM7TDMI como coprocessador. N-Gage Rodando Sybiam OS, o Nokia N-Gage é mais que um console de vídeo game, é um smart phone equipado com um ARM946E-S a 104MHz. GP2X Este handheld baseado rodando Linux é um console e mídia player criado por uma empresa da Coréia do Sul. Equipado com dois processadores ARM, ARM920T e ARM940T, ambos rodando a 200MHz. BenQ S65 Celular GSM com diversos recursos multimídia, equipado com um core ARM926EJ-S, com suporte a execução de bytecodes Java em hardware.

10 Programação Não conseguimos implementar os exercícios pedidos. Mas de acordo com nossas pesquisas, o ARM9 possui instrução de multiplicação: MUL. Esta é uma instrução de 32Bits onde não podem ser usados valores imediatos, o resultado não pode ser armazenado no mesmo registrador do segundo operando. MUL faz a multiplicação de dois registradores de 32 bits, colocando o resultado em outro registrador de 32 bits. Assim sendo, ela ignora os bits mais significativos do resultado, uma vez que dois números de 32 bits multiplicados geram como resultado um número de 64bits.Esta instrução toma por verdade a seguinte hipótese: se os números são SIGNED, o resultado também será SIGNED. Também há esta instrução no Thumb Instruction Set.

11 Glossário AHB (Advanced High-performance Bus) protocolo de clock único do barramento AMBA. AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architeture) um tipo de barramento muito utilizado nos processadores ARM, possui quatro especificações, que são na verdade versões: ASB, APB, AHB e AXI. TCM (Tightly Coupled Memory) um tipo de memória de computador compartilhada por múltiplos processadores em um sistema multi processado. Set-top Boxes dispositivo que se conecta ao televisor e a alguma fonte externa de sinal, transformando esse sinal em conteúdo exibido na tela. As TVs por assinatura geralmente utilizam esse tipo de dispositivo para converter o sinal recebido por suas antenas ou cabos em conteúdo para assistir. MMU (Memory Management Unit) componente de hardware responsável por lidar com os acessos à memória feitos pela CPU, entre outras funções é responsável por traduzir endereços virtuais em endereços físicos. MPU (Micro Processor Unit) um outro nome para CPU, mas quando lidamos com DSPs. A diferença entre MMU e MPU é que a primeira é uma unidade de hardware separada da CPU, enquanto a segunda não.

12 Bibliografia [1] Wikipedia: [2] Site official do fabricante: