32位RISC CPU ARM芯片的應用和選型-新品速遞

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摘要：ARM公司以及ARM芯片的現(xiàn)狀和發(fā)展，從應用的角度介紹了ARM芯片的選擇方法，并介紹了具有多芯核結構的ARM芯片。列舉了目前的主要ARM芯片供應商，其產品以及應用領域。舉例說明了幾種嵌入式產品ARM芯片選擇方案。關鍵詞：ARMMMUSOCRISCCPU

ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）CPU開發(fā)領域不斷取得突破，其結構已經從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來，直以IP（IntelligenceProperty）提供者的身份向各大半導體制造商出售知識產權，而自己從不介入芯片的生產銷售，加上其設計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，目前已經占有75%以上32位RISC嵌入式產品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位?，F(xiàn)在設計、生產ARM芯片的國際大公司已經超過50多家，國中興通訊和華為通訊等公司已經購買ARM公司芯核用于通訊專用芯片的設計。

目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI等。自V5以且，ARM公司提供PiccoloDSP的芯核給芯片設計得，用于設計ARMDSP的SOC（SystemOnChip）結構芯片。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)（RealTimeOperatingSystem）供應商的支持，比較的有：WindowsCE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。

隨著國內嵌入式應用領域的發(fā)展，ARM芯片必然會獲得廣泛的重視和應用。但是，由于ARM芯片有多達十幾種的芯核結構，70多芯片生產廠家，以及千變萬化的內部功能配置組合，給開發(fā)人員在選擇方案時帶來一定的困難。所以，對ARM芯片做一對比研究是十分必要的。

1ARM芯片選擇的一般原則

從應用的角度，對在選擇ARM芯片時所應考慮的主要困素做一詳細的說明。

1.1ARM芯核

如果希望使用WinCE或Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（memorymanagementunit）功能的ARM芯片，ARM720T、Stron-gARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都帶有MMU功能。而ARM7TDMI沒有MMU，不支持WindowsCE和大部分的Linux，但目前有uCLinux等少數(shù)幾種Linux不需要MMU的支持。

1.2系統(tǒng)時鐘控制器

系統(tǒng)時鐘決定了ARM芯片的處理速度。ARM7的處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz-133MHz，ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘為100MHz-233MHz，ARM10可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只有一個主時鐘頻率，這樣的芯片可能不能同時顧及UART和音頻時鐘準確性，如CirrusLogic的EP7312等；有的芯片內部時鐘控制器可以分別為CPU核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供同頻率的時鐘，如PHILIPS公司SAA7750等芯片。

1.3內部存儲器容量

在不需要大容量存儲器時，可以考慮選用有內置存儲器的ARM芯片。見表1。

表1內置存儲器的ARM芯片

芯片型號供應商FLASH容量ROM容量SRAM容量AT91F40162

AT91FR4081

SAA7750

PUC3030A

HMS30C7202

ML67Q4001

LC67F500ATMEL

ATMEL

Philips

Micronas

Hynix

OKI

Snayo2MBytes

1MBytes

384KBytes

256KBytes

192KBytes

256KBytes

640KBytes256Kbytes4KBytes

128KBytes

64Kbytes

56Kbytes

32Kbytes1.4USB接口

許多ARM芯片內置有USB控制器，有些芯片甚至同時有USBHost和USBSlave控制器。見表2。

表2內置USB控制器的ARM芯片

芯片型號ARM內核供應商USBSlaveUSBHostIIS接口S3C2410

S3C2400

S5N8946

L7205

L7210

EP9312

DragonballMX1

SAA7750

TMS320DSC2x

PUC3030A

AAEC-2000

ML67100

ML7051LA

SA-1100

LH7979531

GMS320C7201ARM920T

ARM920T

ARM7TDMI

ARM720T

ARM720T

ARM920T

ARM920T

ARM720T

ARM7TDMI

ARM7TDMI

ARM920T

ARM7TDMI

ARM7TDMI

StrongARM

ARM7TDMI

ARM720TSamsung

Samsung

Samsung

Linkup

linkup

CirrusLogic

Motorola

Philips

TI

Micronas

Agilent

OKI

OKI

Intel

Sharp

Hynix1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

12

2

0

1

1

3

0

0

0

0

0

0

0

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0

01

1

0

0

0

1

1

1

0

5

0

0

0

0

0

11.5GPIO數(shù)量

在某些芯片供應商提供的說明書中，往往申明的是可能的GPIO數(shù)量，但是有許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復用的。這樣在系統(tǒng)設計時需要計算實際可以使用的GPIO數(shù)量。

1.6中斷控制器

ARM內核只提供快速中斷（FIQ）和標準中斷（IRQ）兩個中斷向量。但各個半導體廠家在設計芯片時加入了自己同的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時鐘斷等硬件中斷。外部中斷控制是選擇芯片必須考慮的重要因素，合理的外部中斷設計可以很大程度的減少任務調度工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750，所有GPIO都可以設置成FIQ或IRQ，并且可以選擇升沿、下降沿、高電平、低電平四種中斷方式。這使得紅外線遙控接收、指輪盤和鍵盤等任務都可以作為背景程序運行。而CirrusLogic公司的EP7312芯片，只有4個外部中斷源，并且每個中斷源都只能是低電平或才高電平中斷，樣在用于接收紅外線信號的場合時，就必須用查詢方式，會浪費大量CPU時間。

1.7IIS（IntegrateInterfaceofSound）接口

即集成音頻接口。如果設計者頻應用產品，IIS總線接口是必需的。

1.8nWAIT信號

外部總線速度控制信號。不是每個ARM芯片都提供這個信號引腳，利用這個信號與廉價的GAL芯片就可以實現(xiàn)與符合PCMCIA標準的WLAN卡和Bluetooth卡的接口，而不需要外加高成本的PCMCIA專用控制芯片。另外，當需要擴展外部DSP協(xié)處理器時，此信號也是必需的。

1.9RTC（RealTimeClock）

很多ARM芯片都提供實時時鐘功能，但方式不同。如CirrusLogic公司的EP7312的RTC只是一個32位計數(shù)器，需要通過軟件計算出年月日時分秒；而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日時分秒格式。

1.10LCD控制器

有些ARM芯片內置LCD控制器，有的甚至內置64K彩色TFTLCD控制器。在設計PDA和手持式顯示記錄設備時，選用內置LCD控制器的ARM芯片如S1C2410較為適宜。

1.11PWM輸出

有些ARM芯片有2～8路PWM輸出，可以用于電機控制或語音輸出等場合。

1.12ADC和DAC

有些ARM芯片內置2～8通道8～12位通用ADC，可以用于電池檢測、觸摸屏和溫度監(jiān)測等。PHILIPS的SAA7750更是內置了一個16位立體聲音頻ADC和DAC，并且?guī)Ф鷻C驅動。

1.13擴展總線

大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴展接口，不同的ARM芯片可以擴展的芯片數(shù)量即片選線數(shù)量不同，外部數(shù)據(jù)總線有8位、16位或32位。某些特殊應用ARM芯片如德國Micronas的PUC3030A沒有外部擴展功能。

1.14UART和IrDA

幾乎所有的ARM芯片都具有1～2個UART接口，可以用于和PC機通訊或用Angel進行調試。一般的ARM芯片通訊波特率為115，200bps，少數(shù)專為藍牙技術應用設計的ARM芯片的UART通訊波特率可以達到920Kbps，如Linkup公司L7205。

1.15DSP協(xié)處理器，見表3。

表3ARM+DSP結構的ARM芯片

芯片型號供應商DSPcoreDSPMIPS應用TMS320DSC2X

DragonballMX1

SAA7750

VWS22100

STLC1502

GMS30C3201

AT75C220

AT75C310

AT75C320

L7205

L7210

QuatroTI

Motorola

Philips

Philips

ST

Hynix

ATMEL

ATMEL

ATMEL

Linkup

Linkup

OAK16bitsC5000

24bits56000

24bitsEPIC

16bitsOAK

D950

16bitsPiccolo

16bitsOAK

16bitsOAK

16bitsOAK

16bitsPiccolo

16bitsPiccolo

16bitsOAK500

73

52

40

40x2

60X2

DigitalCamera

CD-MP3

CD-MP3

GSM

VOIP

STB

IA

IA

IA

Wireless

Wireless

DigitalImage1.16內置FPGA

有些ARM芯片內置有FPGA，適合于通訊等領域。見表4。

表4ARM+FPGA結構的ARM芯片

芯片型號供應商ARM芯核FPGA門數(shù)引腳數(shù)EPXA1

EPXA4

EPXA10

TA7S20系列Altera

Altera

Altera

TriscendARM922T

ARM922T

ARM922T

ARM7TDMI100K

400K

1000K

多種484

672

1020

多種1.17時鐘計數(shù)器和看門狗

一般ARM芯片都具有2～4個16位或32位時鐘計數(shù)器和一個看門狗計數(shù)器。

1.18電源管理功能

ARM芯片的耗電量與工作頻率成正比，一般ARM芯片都有低功耗模式、睡眠模式和關閉模式。

1.19DMA控制器

有些ARM芯片內部集成有DMA（DirectMemoryAccess），可以和硬盤等外部設備高速交換數(shù)據(jù)，同時減少數(shù)據(jù)交換時對CPU資源的占用。

另外，還可以選擇的內部功能部件有：HDLC，SDLC，CD-ROMDecoder,EthernetMAC,VGAcontroller，DC-DC。可以選擇的內置接口有：IIC，SPDIF，CAN，SPI，PCI，PCMCIA。

需說明的是封裝問題。ARM芯片現(xiàn)在主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封裝具有芯片面積小的特點，可以減少PCB板的面積，但是需要專用的焊接設備，無法手工焊接。另外一般BGA封裝的ARM芯片無法用雙面板完成PCB布線，需要多層PCB板布線。

2多芯核結構ARM芯片的選擇

為了增強多任務處理能力、數(shù)學運算能力、多媒體以及網絡處理能力，某些供應商提供的ARM芯片內置多個芯核，目前常見的ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等結構。

2.1多ARM芯核

為了增強多任務處理能力和多媒體處理能力，某些ARM芯片內置多個ARM芯核。例如Portalplayer公司的PP5002內部集成了兩個ARM7TDMI芯核，可以應用于便攜式MP3播放器的編碼器或解碼器。從科勝訊公司（Conexant）分離出云的專門致力于高速通訊芯片設計生產的MinSpeed公司就在其多款高速通訊芯片中集成了2～4個ARM7TDMI內核。

2.2ARM芯核+DSP芯核

為了增強數(shù)學運算功能和多媒體處理功能，許多供應商在其ARM芯片內增加了DSP協(xié)處理器。通常加入的DSP苡核有ARM公司的PiccoloDSP芯核、OAK公司16位定點DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP芯核等。見表3。

2.3ARM芯核+FPGA

為了提高系統(tǒng)硬件的在線升級能力，某些公司在ARM芯片內部集成了FPGA。見表4。

3主要ARM芯片供應商

目前可以提供ARM芯片的歐美半導體公司有：英特爾、德洲儀器、三星半導體、摩托羅拉、飛利浦半導體、意法半導體、億恒半導體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon，Parthus。見表5。日本的許多半導體公司或東芝、三菱半導體、愛普生、富士通半導體、松下半導體等公司較早期都大力投入開了自主的32位CPU結構，但現(xiàn)在都轉向購買ARM公司的芯核進行新產品設計。由于它們購買ARM版權較晚，現(xiàn)在還沒有可銷售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半導體公司目前都已經已經指生產了ARM芯片。韓國的現(xiàn)代半導體公司也生產提供ARM芯片。另外，國外也很多設備制造商采用ARM公司芯核設計自己的專用芯片，如美國的IBM、3COM和新加坡的創(chuàng)新科技等。我國臺灣地區(qū)可以提供ARM芯片的公司臺積電、臺聯(lián)電、華幫電子等。其它已購買ARM芯核，正在設計自主版板權專用芯片的大陸公司會為通訊中興通訊等。

表5主要ARM芯片供應商及其代表性產品和主要應用領域

供應商芯片1芯片2芯片3芯片4主要應用Intel

TI

Samsung

Motorola

Philips

CirrusLogic

Linkup

ATMEL

OKI

Sharp

Qualcomm

ST

Infineon

Analog

Hynix

Micronas

Conexant

Agilent

Portalpayer

NEC

NetSilicon

LSILogic

Alcatel

Altera

Panasonic

SiliconWave

OAK

Rohm

Parthus

Intersil

SiRF

Sirius

Sanyo

Virata

AgereSA-110

TMS320DSC21

S3C44B0X

DragonballMX1

SAA7750

EP7209

L7200

AT91R40XXX

ML67100

LH75400/1

MSP1000

STLC1502

PMB7754

AD20MSP430

GMS30C7201

PUC3030A

CN9414

AAEC-2000

PP5002

UPD65977

NET+15

CBP3.0

MTC20276

EPXA1

MN1A7T0200

SiW1750

Quatro

BU6611AKU

InfoSream

ISL3856

SiRFStarII

CDMAx

VOL101

Helium

T8300SA-1100

TMS320DSC24

S3C2410

VWS22100

EP7212

L7205

AT75C310

ML7051LA

LH79520

MSM3000

STw2400

HMS30C7202

CX82100

NET+40

CBP4.0

MTK20141

EPXA4

DIRAC

Helium200

T8302SA-1110

TMS320DSC25

S3C4510

VCS94250

EP7312

L7210

AT76C901

ML67Q4000

LH79531/2/3

MSM5000

HMS39C7092

NET+50

L64324

MTK20285

EPXA10

Helium210

IXP1200

PMAP1510

S5N8946

VW26001

EP9312

AT76C502

ML67Q2300

LH7A400

MSM6000

MTC20277

Lithium

PalmPC,Network

DigitalCamera

ADSL,PDA

BT，PDA

MP3,GSM,3G,BT

GP,MP3

W