基于ARM7的嵌入式微处理器存储管理单元的设计与实现

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1、摘要摘要随着电子产品中复杂应用的不断涌现，为了提高系统性能，嵌入式软件系统由单道程序系统向多任务操作系统方向发展，为了装载运行尽可能多的进程，存储器必须被有效地分配；为避免其他进程有意无意的干涉，每个进程都需要保护，有效的存储管理至关重要；同时，处理器和存储器之间的性能差距日益增大，成为限制系统性能的瓶颈。为了解决这些问题，人们在嵌入式处理器中引入存储管理单元(MMtJ)，以支持虚拟存储机制并增强系统的性能和可靠性。ARM7TDMI是得到广泛使用的32位高性能嵌入式处理器内核，但缺少MMU的支持限制了其应用范围。因此，本文以获得授权的ARM7TDMI处理器为研究对象，在自主研发的宏

2、单元基础上设计开发兼容ARM720T处理器的MMU。本文从介绍MMU的功能入手，深入分析嵌入式处理器MMU的特点，根据功能要求对设计进行划分并确定了各模块的设计要素。随后详细讨论了设计中的重点和难点，对自主研发宏单元的功能建模进行描述，并将完成的设计集成至SoC验证环境中进行仿真验证。通过充分的测试向量仿真和软硬件协同验证，存储管理单元的正确性和有效性得到验证。论文中所给出的存储管理单元在设计过程中对嵌入式处理器特点给予充分考虑，体现了可复用性的要求，实现了兼容ARM720T的目标。基于中芯国际0．189m工艺实现的存储管理单元版图面积为3．275舢存。经过性能对比仿真测试，引入的

3、存储管理单元为处理器带来了3至10倍左右的相对性能提升。论文的最后部分探讨了存储管理单元的发展趋势，总结了本文的研究工作。关键词：系统芯片嵌入式处理器存储管理单元转换后备缓冲器高速缓存ARM7TDMI可重用设计AbstractWiththeboomofcomplicatedapplicationinelectronicproducts，inordertoimprovetheperformanceofsystems，theembeddedsoftwaresystemshaveevolvedfromthesingleprogramsystemstomultitaskingoperati

4、ngsystems．ThememoryisallocatedmoreefficientlySOthatmoreprocessescallbeloadedandrunparallelly．Effectivememorymanagementiscrucialbecauseeachprocessneedsprotectiontoavoidinterferencefromotherprocesses．Besides，thememorygapisgettinglargerandbecomesthebottle—neckofperformance．Inordertosolvetheseprob

5、lems，MMU(memorymanagementunit)becomesessentialpartsoftheSoCprocessor，whichenablessupportofvirtualmemorymechanismandimprovesthereliabilityandperformanceofthesystem．ARM7TDMIisakindofwidelyused32bithighperformanceembeddedprocessorcore；butthelackofsupportfromMMUhaslimiteditsapplication．Basedonthel

6、icensedARM7TDMIcoreandthemacro-celldevelopedbyourselvesMMUwithCachecompatiblewithARM720Tisstudiedanddesigned．ThemainfunctionofMMUiSintroducedfirst．ThenthecharacteristicsofMM[Uintheembeddedprocessorareanalyzed；theMMUisdividedintoseveralmainmodulesaccordingtothefunctiondefinitionandimplementatio

7、nsofeachblockarespecified．11hedifficultiesandfocusinthedesignprocessarediscussedandmacro-cellsusedinMMUaredescribedandfunctionallymodeled．AlltheblocksareintegratedintotheSoCsimulationenvironmentforverification．Aftersufficienttestvectors