Intel XScale微體系結構提供了一種全新的、高性價比、低功耗且基于ARMv5TE體系結構的解決方案，支持16位Thumb指令和DSP擴充。基于XScale技術開發(fā)的微處理器，可用于手機、便攜式終端(PDA)、網(wǎng)絡存儲設備、骨干網(wǎng)(BackBone)路由器等。Intel PXA250微處理器芯片就是一款集成了32位Intel XScale 處理器核、多通信信道、LCD控制器、增強型存儲控制器和PCMCIA/CF控制器以及通用I/O口的高度集成的應用處理器。
Intel XScale處理器的處理速度是Intel StrongARM處理速度的兩倍，其內(nèi)部結構也有了相應的變化：
數(shù)據(jù)Cache的容量從8KB增加到32KB；
指令Cache的容量從16KB增加到32KB；
微小數(shù)據(jù)Cache的容量從512B增加到2KB；
為了提高指令的執(zhí)行速度，超級流水線結構由5級增至7級；
新增乘/加法器MAC和特定的DSP型協(xié)處理器CP0，以提高對多媒體技術的支持；
動態(tài)電源管理，使XScale處理器的時鐘可達1GHz、功耗1.6W，并能達到1200MIPS。
XScale微處理器架構經(jīng)過專門設計，核心采用了英特爾先進的0.18μm工藝技術制造；具備低功耗特性，適用范圍從0.1mW～1.6W。同時，它的時鐘工作頻率將接近1GHz。 XScale與StrongARM相比，可大幅降低工作電壓并且獲得更高的性能。具體來講，在目前的StrongARM中，在1.55V下可以獲得133MHz的工作頻率，在2.0V下可以獲得206MHz的工作頻率；而采用XScale后，在0.75V時工作頻率達到150MHz，在1.0V時工作頻率可以達到400MHz，在1.65V下工作頻率則可高達800MHz。超低功率與高性能的組合使Intel XScale適用于廣泛的互聯(lián)網(wǎng)接入設備，在因特網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)中，從手持互聯(lián)網(wǎng)設備到互聯(lián)網(wǎng)基礎設施產(chǎn)品，Intel XScale都表現(xiàn)出了令人滿意的處理性能。
2 PXA250的結構及特點
Intel XScale PXA250結構框圖如圖1所示。
2.1 PXA250處理器的主要特點
(1)高性能
低功耗，高性能的32位Intel XScale處理器內(nèi)核，工作頻率高達400MHz；
兼容ARMv5TE架構；
采用7級超級流水線結構；
支持多媒體處理技術，采用40位累加器和16位乘法器,以增強對音頻和視頻的解碼能力；
提供支持同步Intel StrataFlash存儲器的高性能分幀和分頁模式接口。
(2)低功耗
多電源管理模式；
32KB數(shù)據(jù)和32KB指令Cache；
2KB的微小數(shù)據(jù)Cache；
支持2.5V和3.3V的存儲器。
(3)I/O擴展
100MHz存儲器總線，6個靜態(tài)存儲空間(16或32位ROM(SMROM)/Flash/SRAM)，4個動態(tài)存儲分區(qū)(16或32位SDRAM)；
支持2個PCMCIA 或 Compact Flash槽。
(4)外圍控制模塊
16通道可配置DMA控制器；
LCD控制器，獨有的支持對快變彩屏的DMA方式；
920kbps Bluetooth接口；
串行端口(IrDA、I2C、I2S、AC97、3個UARTs、SPI 和SSP)；
USB接口；
支持MMC/SD卡。
(5)時鐘控制
五種時鐘源：
32.768kHz振蕩器；
3.6864MHz振蕩器；
可編程的內(nèi)核鎖相環(huán)；
95.85MHz外圍固定頻率鎖相環(huán)；
147.46MHz固定頻率鎖相環(huán)。
(6)電源管理
運行模式(正常處理模式)、Turbo模式(運行于400MHZ)、空閑模式(下電)、睡眠模式(下電)。
(7)封裝形式
17mm×17 mm 256腳PBGA封裝。
2.2 Intel XScale內(nèi)核
Intel XScale CPU內(nèi)核采用帶有一個增強型存儲器管道的超級流水線RISC處理器架構的體系結構。這款新型高性能、低功耗的微構架兼容ARMv5TE ISA指令集(不支持浮點指令集)。這種微構架在ARM核的周圍提供了指令與數(shù)據(jù)存儲器管理單元，指令、數(shù)據(jù)和微小數(shù)據(jù)Cache，寫緩沖、全緩沖、掛起緩沖和分支目標緩沖器，電源管理，性能監(jiān)控、調(diào)試和JTAG單元以及協(xié)處理器接口，MAC協(xié)處理器和內(nèi)核存儲總線。
超級流水線結構是由整型管道、存儲器管道和MAC管道構成。整型管道包括7級流水線結構，取指令1(分支目標緩沖器)→取指令2→譯碼→寄存/移位→ALU實現(xiàn)→狀態(tài)執(zhí)行→回復；存儲器管道除包括整型管道的前5級外，后接3個高速緩存，數(shù)據(jù)Cache1、數(shù)據(jù)Cache2和數(shù)據(jù)回復Cache，共8級流水線結構；MAC管道是6~9級的流水線結構，包括整型管道的前4級和4級MAC段，以及一個數(shù)據(jù)回復Cache，其中MAC2-4的選通由數(shù)據(jù)決定。流水線結構級數(shù)越多越能提高指令的執(zhí)行速度，使用分支目標緩沖器的目的在于成功的預知分支指令的 結果。128個入口的分支目標緩沖器的每個入口都包含了分支指令的地址、與分支指令相聯(lián)系的目標地址以及該分支的執(zhí)行情況，它由協(xié)處理器15使能。分支目標緩沖器的使用旨在避免超級流水線結構中的分支延遲。
PXA250 CPU的MM(IMMU和DMMU)均提供了一個32項的轉(zhuǎn)換旁路緩存器(ITLB和DTLB)，它們的每一項均可映射存儲器中的段、大頁和小頁。為了保證內(nèi)核周期的存取指令和數(shù)據(jù)，PXA250包含了1個32KB的指令Cache和1個32KB的數(shù)據(jù)Cache。另外，為了避免數(shù)據(jù)Cache內(nèi)數(shù)據(jù)流存取的頻繁變化，還提供了1個2KB的微小數(shù)據(jù)Cache。指令和數(shù)據(jù)Cache都是具有32個入口和32路相聯(lián)的Cache，每路均包含1個標志地址，32字節(jié)的高速緩存隊列和1個有效位，采用循環(huán)方式進行刷新存儲。微小數(shù)據(jù)Cache是1個具有32個入口和2路相聯(lián)的Cache，同樣采用循環(huán)方式進行刷新存儲。
PXA250內(nèi)核還提供了4個入口的全緩沖和掛起緩沖，用于提升內(nèi)核性能，與數(shù)據(jù)Cache和微小數(shù)據(jù)Cache協(xié)同工作。此外，1個8入口的寫緩沖，每個入口可保存16字節(jié)，它從內(nèi)核、數(shù)據(jù)Cache或微小數(shù)據(jù)Cache中得到數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)總線選通前，暫存數(shù)據(jù)。
2.3 系統(tǒng)控制功能
PXA250的系統(tǒng)控制模塊提供了實時時鐘、看門狗及間隔定時器、功率管理控制器、中斷控制器、復位控制器和2個片上振蕩器。該系統(tǒng)定時器支持源自SA-11x0處理器的定時器單元，OS定時器使用3.6864MHz振蕩器，包含了4個定時匹配寄存器(OSMR)、1個定時狀態(tài)寄存器(OSSR)和1個定時中斷使能寄存器(OIER)。看門狗定時中斷可以通過激活OS定時看門狗使能寄存器(OWER)來實現(xiàn)。
中斷控制器處理的所有中斷源，有兩個中斷類型：中斷請求(IRQ)和快速中斷請求(FIQ)。中斷控制器可以根據(jù)掩碼寄存器的值，允許CPU被中斷或保持預中斷。中斷控制器中的每一個寄存器都是1比特映射，并且每一比特均被預先分配給不同的中斷源。
2.4 時鐘和電源管理
為了達到處理性能和能量消耗之間比例的化，用時鐘和電源管理器來控制不同模塊的時鐘頻率并處理不同能量管理操作模式之間的轉(zhuǎn)化。時鐘和電源管理器為每一個外設提供了固定的時鐘，并且為LCD控制器、存儲器控制器和CPU提供了可編程的頻率時鐘，這些時鐘均來自內(nèi)部鎖相環(huán)時鐘源。時鐘管理器還可通過關閉不用設備的時鐘來減少功率損耗。
電源管理提供了四種工作模式：Turbo模式、運行模式、空閑模式和睡眠模式。Turbo模式下，CPU核運行在峰值頻率，為避免內(nèi)核對外部存儲器的等待時間，在該模式下，很少對外部存儲器進行存取；運行模式下，CPU核運行于正常標準頻率，可以假定內(nèi)核不斷地對外部存儲器進行存取，運行速率的減慢對于性能與功耗的平衡是有利的；在空閑模式下，暫停到CPU的時鐘，但是使能到外圍器件的時鐘；睡眠模式下，整個系統(tǒng)將處于功耗狀態(tài)，要喚醒睡眠狀態(tài)必須重新啟動系統(tǒng)。
2.5 存儲器和PCMCIA/Compact Flash控制模塊
PXA250處理器的外部存儲器總線接口支持同步動態(tài)存儲器(SDRAM)、同步和異步分頁模式段、頁模式閃存、同步掩碼只讀存儲器(SMROM)、頁模式ROM、SRAM、靜態(tài)段支持可變等待時間的I/O設備(VLIO)、16位的PC卡擴展存儲器和Compact Flash。存儲器的類型可通過存儲器接口配置寄存器決定。
2.6 外圍控制模塊
PXA250處理器定義了16個通道的DMA控制器。它可響應內(nèi)部和外部設備的請求，完成數(shù)據(jù)從主存儲器中讀出與寫入。DMAC用于外圍設備與存儲系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
LCD控制器提供了支持雙掃描無源陣列彩顯(DSTN，俗稱偽彩)或有源陣列彩顯(TFT，俗稱真彩)屏的接口，并支持單色和多色素格式。它擁有自己獨立的雙通道DMA控制器，兩路通道分別用于單面板和雙面板顯示。支持顯示分辨率為1024×1024像素，推薦分辨率為800×600像素。在無源單色模式下，支持256級灰度。對于彩色顯示，不管有源還是無源模式，均支持65536種顏色。LCD控制器將幀緩存中的像素編碼值，對應于16位寬的256個入口的調(diào)色板RAM，根據(jù)數(shù)據(jù)寬度決定彩色的數(shù)量。
PXA250處理器支持的串口包括：基于通用串行總線1.1版本的USB客戶服務模塊接口，它支持16個端點外掛，并提供了1個48MHz的內(nèi)部時鐘；3個通用異步收發(fā)口(UART)，速率230Kbps的全功能UART(完備的握手信號)，速率921Kbps藍牙UART和標準UART；高速紅外通信口(FICP)半雙工，速率4Mbps，執(zhí)行4PPM標準；AC97控制器支持AC97 2.0修訂版本的多媒體數(shù)字信號編解碼器，AC97控制器對于立體PCM輸入輸出，Modem輸入輸出和單一的麥克風輸入都提供了單獨的16位通道；I2S控制器為數(shù)字立體聲標準I2S多媒體數(shù)字信號編解碼器提供了串行連接，復用AC97控制器引腳；I2C總線接口提供了2個引腳的通用串行通信端口，2個引腳分別用于數(shù)據(jù)地址和時鐘；另外，提供了2個支持MMC或SPI協(xié)議，高達20Mbps串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗MC卡接口和一個SSP接口。SSP邏輯接口支持National Microwire協(xié)議、Texas Instruments協(xié)議、同步串行協(xié)議(SSP)和Motorola SPI協(xié)議，所有這些協(xié)議都用于A/D轉(zhuǎn)換、音頻和電信多媒體數(shù)字信號編解碼器和其它滿足串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設備。
3 研華推出的XScale單板計算機PCM-7210
PCM-7210是一款集成Intel XScale低功耗RISC處理器PXA250的單板計算機。它由一塊支撐板和一塊CPU板構成，在CPU板上集成了處理器PXA250、64MB的SDRAM和32MB的Flash存儲器，其它的外圍器件均置于支撐板之上，包括10Mbps以太網(wǎng)接口，4個全功能RS-232和1個RS-485串行接口，AC97音頻接口，2個USB主機端和1個客戶端，數(shù)字I/O引腳和CF/PCMCIA擴展插槽。此外，還有支持LCD/CRT顯示的接口以及智能電源接口。PCM-7210功能框圖如圖2所示。
