基于ARM嵌入式平臺(tái)的X86譯碼SOC架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：二進(jìn)制翻譯技術(shù)是代碼移植技術(shù)中的一種重要技術(shù)。針對(duì)二進(jìn)制翻譯的應(yīng)用，提出在ARM嵌入式平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)X86 t0 ARM二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)ARM嵌入式平臺(tái)的研究，介紹二進(jìn)制翻譯模塊的功能，著重論述SOC架構(gòu)的設(shè)計(jì)，并分析Multi-layer總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)化。該SOC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將部分X86指令翻譯為ARM指令并由ARM處理器執(zhí)行目標(biāo)代碼的功能。該設(shè)計(jì)為在硬件上實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制翻譯提供了參考。
關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式；二進(jìn)制翻譯；SoC

    二進(jìn)制翻譯也是一種編譯技術(shù)，它與傳統(tǒng)編譯器的差別在于其編譯處理對(duì)象不同。傳統(tǒng)編譯器處理的是某一種高級(jí)語(yǔ)言，經(jīng)過(guò)編譯處理生成某種機(jī)器的目標(biāo)代碼。
    二進(jìn)制翻譯是一種直接翻譯可執(zhí)行二進(jìn)制程序的技術(shù)，能夠把一種處理器上的二進(jìn)制程序翻譯到另外一種處理器上執(zhí)行。它使得不同處理器之間的二進(jìn)制程序可以很容易的相互移植，擴(kuò)大了硬件／軟件的適用范圍，有助于打破處理器和支持軟件之間的相互扼制的局面。二進(jìn)制翻譯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：不需要重編譯源碼就可以實(shí)現(xiàn)軟件從舊平臺(tái)到新平臺(tái)的移植；快速為新機(jī)器提供軟件，包括移植操作系統(tǒng)和編譯器；充分利用新機(jī)器的特性優(yōu)化代碼；減少培訓(xùn)費(fèi)用，因?yàn)槭褂玫氖窍嗤能浖?，所以不必在新平臺(tái)上重新培訓(xùn)員工；降低了多平臺(tái)軟件的費(fèi)用。

1 SOC架構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 處理器的確定
    通用處理器與硬件邏輯是SoC設(shè)計(jì)的主流架構(gòu)。在一些需要大量數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用中，這樣的架構(gòu)并不能滿足要求。實(shí)際上，由于不同的任務(wù)在很大程度上互相獨(dú)立運(yùn)行，可以將具有內(nèi)在執(zhí)行并行性的任務(wù)分解為緊密聯(lián)系的子任務(wù)，不同的內(nèi)核可以執(zhí)行不同的子任務(wù)，多核架構(gòu)在1個(gè)周期內(nèi)可以執(zhí)行多個(gè)指令。這種并行處理使得整個(gè)系統(tǒng)的性能與使用單核處理器串行處理相同任務(wù)相比，有了很大改進(jìn)。另外，多核架構(gòu)設(shè)計(jì)可以復(fù)用現(xiàn)有的單核處理器作為處理器核心，從而可以縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，符合SoC設(shè)計(jì)的基本思路。多核架構(gòu)是未來(lái)SoC發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
    該設(shè)計(jì)采用雙核架構(gòu)，采用當(dāng)代流行的處理能力較好的ARM處理器ARM7TDMI-S和ARM926EJ-S，ARM內(nèi)核最大的優(yōu)勢(shì)在于高速度、低功耗。
    ARM7TDMl-s具有3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，支持Win-dows CE，Linux等操作系統(tǒng)。ARM926EJ-S是ARM公司在2000年推出的功能最強(qiáng)大的ARM9處理器，實(shí)現(xiàn)5級(jí)流水，它與外部通信接口為雙AHB總線結(jié)構(gòu)，即指令A(yù)HB總線和數(shù)據(jù)AHB總線。該設(shè)計(jì)中ARMTDMI-S主要負(fù)責(zé)控制、操作系統(tǒng)平臺(tái)和任務(wù)的調(diào)度。ARM926EJ-S則主要負(fù)責(zé)各種任務(wù)的執(zhí)行。
1．2 使用的總線標(biāo)準(zhǔn)
    由于SoC中集成了大量的IP核，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)各IP模塊之間的互連。目前，SoC中IP核的互連一般采用總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)消息通信。
    采用ARM公司的AHB與APB為片上總線。AMBA總線體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前SoC體系設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，由于AMBA被越來(lái)越多的公司采用，已迅速成為SoC結(jié)構(gòu)和IP庫(kù)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。
    在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用AHB加APB的兩級(jí)總線結(jié)構(gòu)。AHB用來(lái)支持高速設(shè)備，支持多主從設(shè)備。多個(gè)主設(shè)備之間通過(guò)仲裁機(jī)制保證優(yōu)先級(jí)，從設(shè)備通過(guò)地址譯碼機(jī)制被選中，并響應(yīng)主設(shè)備發(fā)起的總線事務(wù)。APB用支持基于寄存器訪問(wèn)的低速設(shè)備。AHB與APB兩條總線通過(guò)總線橋連接在一起，實(shí)現(xiàn)兩條總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。圖1為SoC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

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1．3 各IP在系統(tǒng)中的功能
    除了兩個(gè)處理器外，SoC中各IP核功能如下：翻譯模塊：實(shí)現(xiàn)將X86指令翻譯成為ARM指令的功能。
    SMI：外部存儲(chǔ)與微處理器之間的橋梁，支持RoM作為系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，支持片外SRAM作為系統(tǒng)的外圍高速存儲(chǔ)。
    中斷控制器：用來(lái)支持系統(tǒng)內(nèi)部與外部的中斷控制，如中斷電平／邊沿觸發(fā)、中斷電平極性與中斷使能等。
    Internal Memory：片內(nèi)SRAM，大小為1 KB，但可以通過(guò)修改Verilog的描述來(lái)改變其大小。
    Default Slave：用于當(dāng)master訪問(wèn)未定義的地址空間時(shí)，給出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。
    Retry Slave：是一個(gè)可以產(chǎn)生重試回應(yīng)及等待命令的slave范例，若需要類似的模組，可以利用它來(lái)完成。
    Watchdog：保證系統(tǒng)安全的監(jiān)控模塊，軟件需在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)相應(yīng)的寄存器，否則硬件將產(chǎn)生內(nèi)部信號(hào)自動(dòng)復(fù)位。
    GPIO控制器：用來(lái)支持?jǐn)U展外設(shè)，拓寬SoC的使用范圍。
    Remap&Pause：主要分成兩個(gè)處理單元，前者負(fù)責(zé)控管地址是否重新對(duì)應(yīng)的機(jī)制，后者負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的省電模式。
    Timer：定時(shí)器，支持捕獲、Matchout輸出、外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。

2 X86到ARM二進(jìn)制翻譯模塊
    該設(shè)計(jì)使用的翻譯模塊通過(guò)編寫(xiě)Verilog HDL實(shí)現(xiàn)，能將部分X86指令翻譯成ARM指令，實(shí)現(xiàn)了某些X86應(yīng)用程序到ARM架構(gòu)的移植。圖2為解碼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

    該翻譯模塊首先從ROM中取出X86指令，翻譯成ARM指令后存人RAM中，所有指令翻譯完成后，翻譯模塊產(chǎn)生一個(gè)終端，使處理器執(zhí)行RAM中的指令。即所有指令先翻譯完成，處理器才執(zhí)行，該翻譯過(guò)程屬于靜態(tài)二進(jìn)制翻譯。其中Decoder是整個(gè)解碼模塊的核心，負(fù)責(zé)翻譯指令。Decoder模塊采用有限狀態(tài)機(jī)控制數(shù)據(jù)通路的方式實(shí)現(xiàn)．根據(jù)指令的功能和尋址方式進(jìn)行狀態(tài)分類，然后輸出ARM指令。例如，把寄存器尋址的算術(shù)指令可分為一類：
    ADD EAX，EBX
    SUB EAX，EBX
    因?yàn)檫@些指令的尋址方式一樣，功能近似，只是操作碼不一樣，可以歸并為一個(gè)狀態(tài)，在某一狀態(tài)內(nèi)建立映射關(guān)系翻譯成為ARM指令。
    考慮到AHB總線可能處于比較忙碌的狀態(tài)，對(duì)于X86指令和翻譯出的ARM指令分別設(shè)置2個(gè)FIFO。FIFO1和FIFO2各自有2個(gè)存儲(chǔ)器，其中一個(gè)存儲(chǔ)指令，另一個(gè)存儲(chǔ)與指令對(duì)應(yīng)的地址。對(duì)FIFO進(jìn)行操作會(huì)同時(shí)對(duì)指令和地址進(jìn)行操作，以保持指令和地址的對(duì)應(yīng)。
    此外，ARM核需要向解碼模塊發(fā)送信號(hào)，通過(guò)設(shè)置Communicate模塊中的寄存器控制指令譯碼器的工作：
    設(shè)置X86指令的起始地址；設(shè)置X86指令的終止地址；設(shè)置ARM指令的初始存放地址；設(shè)置ARM指令復(fù)雜指令段的初始地址；設(shè)置使指令解碼器開(kāi)始工作的標(biāo)志寄存器，高電平表示工作；判斷指令解碼是否結(jié)束，結(jié)束后向ARM核發(fā)送中斷；ARM核接收中斷信號(hào)后，將標(biāo)志寄存器置低，翻譯模塊結(jié)束本次工作。
    本文的SoC系統(tǒng)中沒(méi)有使用DMA對(duì)X86指令和ARM指令進(jìn)行存取，而是由翻譯模塊主動(dòng)進(jìn)行讀和寫(xiě)。因而有2個(gè)Master總線接口，通過(guò)AHB _1_1interface讀取X86指令，由AHB_2_1 interface將ARM指令寫(xiě)入RAM中。Communicate模塊與總線的通信接口為Slave口，用于接收ARM核發(fā)送的4個(gè)地址，一旦接收到這4個(gè)地址，翻譯模塊中的start_flag信號(hào)置高，表示開(kāi)始工作。

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3 片上總線結(jié)構(gòu)
    在ARM SoC體系結(jié)構(gòu)中，有Master和Slave這兩個(gè)重要的概念。Master是ARM SoC體系結(jié)構(gòu)中的主單元，他可以向總線發(fā)出請(qǐng)求并且對(duì)傳輸進(jìn)行初始化，例如對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，典型的Master可以是CPU，DSP，DMA。Slave是ARM SoC體系結(jié)構(gòu)中的從單元，典型的Slave為片上或者片外存儲(chǔ)器，它們都有自己惟一的地址范圍。Master發(fā)起讀／寫(xiě)操作時(shí)，在初始化中會(huì)給出讀／寫(xiě)操作的地址，而地址譯碼器則根據(jù)這個(gè)地址決定哪個(gè)Slave被Master選中，然后相應(yīng)的Slave做出相應(yīng)。
    在AHB系統(tǒng)中，若有2個(gè)Master常需要AccessBus，則系統(tǒng)的Performance必定會(huì)下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題。ARM提出了Multi-layer AHB，其基本構(gòu)想是2個(gè)Master走不同的Bus去訪問(wèn)Slave，如果訪問(wèn)的Slave不同，則兩個(gè)Master可以同步的進(jìn)行Transfer。若彼此訪問(wèn)一個(gè)Slave，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)去判斷要先處理誰(shuí)的Transfer。
    該總線結(jié)構(gòu)使用了Multi_layerbus switch(BusMatrix)模塊。AHB BusMatrix的設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)部分：輸入級(jí)、譯碼級(jí)和輸出級(jí)。圖3為該設(shè)計(jì)所使用的結(jié)構(gòu)，其中，輸入和輸出的個(gè)數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)的Master和Slave靈活調(diào)整。

    可以看出，每個(gè)Layer都有一個(gè)譯碼器來(lái)決定Master要訪問(wèn)哪一個(gè)Slave，通過(guò)多路選擇器實(shí)Master和Slave之間的Transfer。。每個(gè)Slave口都有自己的仲裁器，該仲裁器使用固定優(yōu)先級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)的Layer可以優(yōu)先訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的Slave。
    隨著系統(tǒng)中Master和Slave的增多，Busmatrix模塊的復(fù)雜度也會(huì)明顯增加，如果按照系統(tǒng)所有的Mas-ter和Slave的個(gè)數(shù)來(lái)確定輸入／輸出口的個(gè)數(shù)，Busma-trix將會(huì)非常復(fù)雜，因此對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化變得非常必要。根據(jù)系統(tǒng)工作情況可以發(fā)現(xiàn)，翻譯模塊的Slave端口僅被ARM7核訪問(wèn)，即向翻譯模塊存取指令所需的地址，控制其工作，該Slave可以看作是ARM7核私有的，而不被其他Master訪問(wèn)。有些Slave只有在特殊情況下才被訪問(wèn)，因此可以將多個(gè)Slave看作一個(gè)Slave掛在BusMatrix上。優(yōu)化后的SoC硬件架構(gòu)如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)
    這里給出了一種具有X86到ARM二進(jìn)制翻譯和執(zhí)行功能的SoC系統(tǒng)。利用Multi-layer bus SWitch(BusMatrix)模塊實(shí)現(xiàn)Multi-layer?？偩€結(jié)構(gòu)，在多個(gè)核不訪問(wèn)同一個(gè)Slave時(shí)，可以同時(shí)執(zhí)行各自功能，有效提高系統(tǒng)的性能，且該總線結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性強(qiáng)。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)工作的特點(diǎn)，對(duì)總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減小了總線的復(fù)雜度。