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研究生: 徐昌陽
Chung-yang Hsu
論文名稱: ARM v4 指令集架構相容之記憶體管理單元智財設計與驗證
The Design and Verification of an ARM v4 Instruction Set Architecture Compatible Memory-Management-Unit IP
指導教授: 林銘波
Ming-Bo Lin
口試委員: 陳郁堂
Yie-Tarng Chen
詹景裕
Gene Eu Jan
呂紹偉
Shao-Wei Leu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 83
中文關鍵詞: 智財記憶體管理單元虛擬記憶體記憶體保護
外文關鍵詞: ARM v4, ARM922T, MMU, Memory protection
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記憶體管理單元,也被稱作分頁記憶體管理單元,是計算機的硬體元件,專門負責處理CPU發出的記憶體存取要求。其功能包括將位址轉換、存取權限查驗與提供記憶體共用。藉著將虛擬記憶體位址轉換成實體記憶體位址,提供硬體支援使作業系統可以管理虛擬記憶體。
在本論文中,我們設計與實現了一個與ARM v4架構相容的記憶體管理單元智財(Intellectual Property, IP)。記憶體管理單元主要是由有限狀態機控制單元(FSM Control Unit)、轉址旁觀緩衝區(Translation Look-aside Buffer)與計算與保護機制模組(Calculation and Protection Module)組成,對外則以AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)介面讀取外部記憶體中的轉址表(Translation table)。
目前我們已整合了Proto-ARM9M、記憶體管理單元、快取記憶體系統、系統協同處理器與AMBA匯流排介面於Xilinx的Spartan-3 XC3S1500-4FG676 FPGA以及TSMC 0.18 μm元件庫上實現。FPGA設計驗證部分,共使用了21211個LUTs,最高操作頻率可達11 MHz,並於實驗板上搭配自行開發的測試環境以驗證所有測試程式及功能。元件庫方面,核心面積為3183.26 μm × 3423.08 μm,等效閘數(Gate Count)為481533,整體晶片面積為4088 μm × 4081 μm,在SS模式下操作頻率為40 MHz,平均消耗功率約167.1mW。


MMU, sometimes called “paged memory management unit”(PMMU), is a computer hardware component responsible for handling accesses to memory requested by CPU. Its functions include address translation, access permission checks for instruction and data address, and memory sharing. By translating virtual addresses to physical address, it helps the operating system manage virtual memory with hardware support.
In this thesis, an MMU IP (Intellectual Property) compatible to ARM v4 architecture is proposed. The MMU consists of an FSM(Finite State Machine) Control Unit, TLB(Translation Look-aside Buffer), a calculation and protection module, and an AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture) Interface to read the translation table in the main memory.
Proto-ARM922, which is combined proto-ARM9M with cache, system co-processor, MMU, and AMBA interface, has been implemented and verified with Xilinx Spartan-3 XC3S1500-4FG676 FPGA and TSMC 0.18 μm cell library. In the FPGA part, it takes 21211 LUTs and operates at the maximum working frequency of 11 MHz. Furthermore, all of the testing programs are run successfully in FPGA development board. In the cell-based part, the core occupies 3183.26 μm × 3423.08 μm, which is approximately equivalent to 481533 gates, and the whole chip occupies 4088 μm × 4081 μm, and in the SS (Slow NMOS Slow PMOS model) simulation condition it operates at the maximum working frequency of 40 MHz, and it comsumes about 167.1 mW.

摘要I ABSTRACTII 第1章緒論1 1.1研究動機1 1.2章節編排2 第2章ARM微處理器簡介3 2.1ARM的發展現況3 2.2PROTO-ARM922微處理器系統架構簡介3 2.3PROTO-ARM9M微處理器核心簡介6 2.3.1程式者模型(Programmer’s Model)7 2.3.2指令集架構(Instruction Set Architecture)10 2.3.3資料路徑14 2.3.4時序說明16 2.3.5控制方法17 2.4PROTO-ARM9M 微處理器記憶體介面簡介18 2.4.1等待狀態19 2.4.2指令介面20 第3章AMBA匯流排與內部匯流排介面仲裁器23 3.1AMBA 匯流排簡介23 3.1.1AHB系統介紹24 3.1.2AHB基本介紹24 3.2AMBA仲裁器26 第4章指令記憶體管理單元28 4.1記憶體管理單元簡介28 4.2指令記憶體管理單元29 4.2.1系統架構29 4.2.2資料路徑32 4.2.3控制方法33 4.2.4時序說明36 第5章資料記憶體管理單元38 5.1系統架構38 5.2資料路徑與控制方法40 5.3時序說明41 5.4記憶體保護機制的流程43 第6章PROTO-ARM922矽智財的設計與驗證44 6.1暫存器轉移層的設計驗證流程44 6.2PROTO-ARM922快取記憶體系統智財的驗證流程45 6.3測試任務與測試程式之程式碼涵蓋率(CODE COVERAGE)47 6.3.1Proto-ARM922系統測試任務47 6.3.2Proto-ARM922系統測試程式47 第7章FPGA驗證及結果分析52 7.1FPGA驗證流程52 7.2FPGA合成與自動繞線結果分析53 7.3FPGA驗證系統之設計53 7.4PROTO-ARM922測試介面操作介紹55 7.5測試結果56 第8章元件庫的實現與效能評估59 8.1元件庫設計的實現與驗證流程59 8.2合成59 8.3DFT與ATPG61 8.4自動化佈局64 第9章結論68 參考文獻69

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