32位RISC CPU ARM芯片的應(yīng)用和選型

摘要：ARM公司以及ARM芯片的現(xiàn)狀和發(fā)展，從應(yīng)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(jié)構(gòu)的ARM芯片。列舉了目前的主要ARM芯片供應(yīng)商，其產(chǎn)品以及應(yīng)用領(lǐng)域。舉例說明了幾種嵌入式產(chǎn)品最佳ARM芯片選擇方案。 關(guān)鍵詞：ARM MMU SOC RISC CPU ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來，直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己從不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)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(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，國中興通訊和華為通訊等公司已經(jīng)購買ARM公司芯核用于通訊專用芯片的設(shè)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Piccolo DSP的芯核給芯片設(shè)計得，用于設(shè)計ARMDSP的SOC(System On Chip)結(jié)構(gòu)芯片。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。 隨著國內(nèi)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，ARM芯片必然會獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是，由于ARM芯片有多達十幾種的芯核結(jié)構(gòu)，70多芯片生產(chǎn)廠家，以及千變?nèi)f化的內(nèi)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。 1 ARM芯片選擇的一般原則 從應(yīng)用的角度，對在選擇ARM芯片時所應(yīng)考慮的主要困素做一詳細的說明。 1.1 ARM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(memory management unit)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Windows CE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最高可以達到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Cirrus Logic的EP7312等;有的芯片內(nèi)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(nèi)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(nèi)置存儲器的ARM芯片。見表1。 表1 內(nèi)置存儲器的ARM芯片 芯片型號供應(yīng)商 FLASH容量 ROM容量 SRAM容量 AT91F40162 AT91FR4081 SAA7750 PUC3030A HMS30C7202 ML67Q4001 LC67F500 ATMEL ATMEL Philips Micronas Hynix OKI Snayo 2M Bytes 1M Bytes 384K Bytes 256K Bytes 192K Bytes 256K Bytes 640K Bytes 256K bytes 4K Bytes 128K Bytes 64K bytes 56K bytes 32K bytes 1.4 USB接口 許多ARM芯片內(nèi)置有USB控制器，有些芯片甚至同時有USB Host和USB Slave控制器。見表2。 表2 內(nèi)置USB控制器的ARM芯片 芯片型號 ARM內(nèi)核供應(yīng)商 USB Slave USB Host IIS接口 S3C2410 S3C2400 S5N8946 L7205 L7210 EP9312 Dragonball MX1 SAA7750 TMS320DSC2x PUC3030A AAEC-2000 ML67100 ML7051LA SA-1100 LH7979531 GMS320C7201 ARM920T ARM920T ARM7TDMI ARM720T ARM720T ARM920T ARM920T ARM720T ARM7TDMI ARM7TDMI ARM920T ARM7TDMI ARM7TDMI StrongARM ARM7TDMI ARM720T Samsung Samsung Samsung Linkup linkup Cirrus Logic Motorola Philips TI Micronas Agilent OKI OKI Intel Sharp Hynix 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 0 1 1 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 5 0 0 0 0 0 1 1.5 GPIO數(shù)量 在某些芯片供應(yīng)商提供的說明書中，往往申明的是最大可能的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(fù)用的。這樣在系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(dǎo)體廠家在設(shè)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(shè)計可以很大程度的減少任務(wù)調(diào)度工作量。例如PHILIPS公司的 SAA7750，所有GPIO都可以設(shè)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(wù)都可以作為背景程序運行。而Cirrus Logic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。 1.7 IIS(Integrate Interface of Sound)接口 即集成音頻接口。如果設(shè)計者頻應(yīng)用產(chǎn)品，IIS總線接口是必需的。 1.8 nWAIT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。 1.9 RTC(Real Time Clock) 很多ARM芯片都提供實時時鐘功能，但方式不同。如Cirrus Logic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。 1.10 LCD控制器 有些ARM芯片內(nèi)置LCD控制器，有的甚至內(nèi)置64K彩色TFT LCD控制器。在設(shè)計PDA和手持式顯示記錄設(shè)備時，選用內(nèi)置LCD控制器的ARM芯片如S1C2410較為適宜。 1.11 PWM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。 1.12 ADC和DAC 有些ARM芯片內(nèi)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(nèi)置了一個16位立體聲音頻ADC和DAC，并且?guī)Ф鷻C驅(qū)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(yīng)用ARM芯片如德國Micronas的PUC3030A沒有外部擴展功能。 1.14 UART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(diào)試。一般的ARM芯片通訊波特率為115，200bps，少數(shù)專為藍牙技術(shù)應(yīng)用設(shè)計的ARM芯片的UART通訊波特率可以達到920Kbps，如Linkup公司L7205。 1.15 DSP協(xié)處理器，見表3。 表3 ARM+DSP結(jié)構(gòu)的ARM芯片 芯片型號供應(yīng)商 DSP core DSP MIPS 應(yīng) 用 TMS320DSC2X Dragonball MX1 SAA7750 VWS22100 STLC1502 GMS30C3201 AT75C220 AT75C310 AT75C320 L7205 L7210 Quatro TI Motorola Philips Philips ST Hynix ATMEL ATMEL ATMEL Linkup Linkup OAK 16bits C5000 24bits 56000 24bits EPIC 16bits OAK D950 16bits Piccolo 16bits OAK 16bits OAK 16bits OAK 16bits Piccolo 16bits Piccolo 16bits OAK 500 73 52 40 40x2 60X2 Digital Camera CD-MP3 CD-MP3 GSM VOIP STB IA IA IA Wireless Wireless Digital Image 1.16 內(nèi)置FPGA 有些ARM芯片內(nèi)置有FPGA，適合于通訊等領(lǐng)域。見表4。 表4 ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的ARM芯片 芯片型號供應(yīng)商 ARM芯核 FPGA門數(shù)引腳數(shù) EPXA1 EPXA4 EPXA10 TA7S20系列 Altera Altera Altera Triscend ARM922T ARM922T ARM922T ARM7TDMI 100K 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(guān)閉模式。 1.19 DMA控制器 有些ARM芯片內(nèi)部集成有DMA(Direct Memory Access)，可以和硬盤等外部設(shè)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(nèi)部功能部件有：HDLC，SDLC，CD-ROM Decoder,Ethernet MAC,VGA controller，DC-DC?？梢赃x擇的內(nèi)置接口有：IIC，SPDIF，CAN，SPI，PCI，PCMCIA。 最后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(shè)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(jié)構(gòu)ARM芯片的選擇 為了增強多任務(wù)處理能力、數(shù)學(xué)運算能力、多媒體以及網(wǎng)絡(luò)處理能力，某些供應(yīng)商提供的ARM芯片內(nèi)置多個芯核，目前常見的 ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等結(jié)構(gòu)。 2.1 多ARM芯核 為了增強多任務(wù)處理能力和多媒體處理能力，某些ARM芯片內(nèi)置多個ARM芯核。例如Portal player公司的PP5002內(nèi)部集成了兩個ARM7TDMI芯核，可以應(yīng)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(shè)計生產(chǎn)的MinSpeed公司就在其多款高速通訊芯片中集成了2～4個ARM7TDMI內(nèi)核。 2.2 ARM芯核+DSP芯核 為了增強數(shù)學(xué)運算功能和多媒體處理功能，許多供應(yīng)商在其ARM芯片內(nèi)增加了DSP協(xié)處理器。通常加入的DSP苡核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定點DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56K DSP芯核等。見表3。 2.3 ARM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(nèi)部集成了FPGA。見表4。 3 主要ARM芯片供應(yīng)商 目前可以提供ARM芯片的著名歐美半導(dǎo)體公司有：英特爾、德洲儀器、三星半導(dǎo)體、摩托羅拉、飛利浦半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、億恒半導(dǎo)體、科勝訊、ADI公司、安捷倫、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas,Silicon Wave、Virata、Portalplayer inc.、NetSilicon，Parthus。見表5。日本的許多著名半導(dǎo)體公司或東芝、三菱半導(dǎo)體、愛普生、富士通半導(dǎo)體、松下半導(dǎo)體等公司較早期都大力投入開了自主的32位CPU結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在都轉(zhuǎn)向購買ARM公司的芯核進行新產(chǎn)品設(shè)計。由于它們購買ARM版權(quán)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(dǎo)體公司目前都已經(jīng)已經(jīng)指生產(chǎn)了ARM芯片。韓國的現(xiàn)代半導(dǎo)體公司也生產(chǎn)提供ARM芯片。另外 ，國外也很多設(shè)備制造商采用ARM公司芯核設(shè)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(shè)計自主版板權(quán)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(yīng)商及其代表性產(chǎn)品和主要應(yīng)用領(lǐng)域 供應(yīng)商芯片1 芯片2 芯片3 芯片4 主要應(yīng)用 Intel TI Samsung Motorola Philips Cirrus Logic Linkup ATMEL OKI Sharp Qualcomm ST Infineon Analog Hynix Micronas Conexant Agilent Portalpayer NEC NetSilicon LSI Logic Alcatel Altera Panasonic Silicon Wave OAK Rohm Parthus Intersil SiRF Sirius Sanyo Virata Agere SA-110 TMS320DSC21 S3C44B0X Dragonball MX1 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 SiRF Star II CDMAx VOL101 Helium T8300 SA-1100 TMS320DSC24 S3C2410 VWS22100 EP7212 L7205 AT75C310 ML7051LA LH79520 MSM3000 STw2400 HMS30C7202 CX82100 NET+40 CBP4.0 MTK20141 EPXA4 DIRAC Helium 200 T8302 SA-1110 TMS320DSC25 S3C4510 VCS94250 EP7312 L7210 AT76C901 ML67Q4000 LH79531/2/3 MSM5000 HMS39C7092 NET+50 L64324 MTK20285 EPXA10 Helium 210 IXP1200 PMAP1510 S5N8946 VW26001 EP9312 AT76C502 ML67Q2300 LH7A400 MSM6000 MTC20277 Lithium Palm PC,Network Digital Camera ADSL,PDA BT，PDA MP3,GSM,3G,BT GP,MP3 Wireless GP,Wireless GP,BT Portable handheld CDMA VOIP，BT BT GSM STB,GP GP,MP3 Network,Modem IA MP3,PDA Configurable Ethernet CDMA ISDN,ADSL Configurable PDA,Phone BT Digital Image ISDN Wireless Internet 802.11b,WLAN GPS 3G CDMA CD-R HDC Communications Mobile phone 4 選擇方案舉例 表6列舉的最佳方案僅供參考，由于SOC集成電路的發(fā)展非常迅速，今天的最佳方案到明天就可以不是最佳的了。因此任何時候在選擇方案時，都應(yīng)廣泛搜尋一下主要的ARM芯片供應(yīng)商，以找出最適合芯片。 表6 最佳應(yīng)用方案推薦 應(yīng) 用第一選擇方案第二選擇方案注 釋 高檔PDA S3C2410 Dragon ball MX1 　 便攜CDMP3播放器 SAA7750 　 USB和CD-ROM解碼器 FLASH MP3播放器 SAA7750 PUC3030A 內(nèi)置USB和FLASH WLAN和BT應(yīng)用產(chǎn)品 L7205，L7210 Dragon ball MX1 高速串口和PCMCIA接口 Voice Over IP STLC1502 　 數(shù)字式照相機 TMS320DSC24 TMS320DSC21 內(nèi)置高速圖像處理DSP 便攜式語音email 機 AT75C320 AT75C310 內(nèi)置雙DSP，可以分別處理MODEM和語音 GSM手機 VWS22100 AD20MSP430 專為GSM手機開發(fā) ADSL Modem S5N8946 MTK-20141 　 電視機頂盒 GMS30C3201 　 VGA控制器 3G移動電話機 MSM6000 OMAP1510 　 10G光纖通信 MinSpeed公司系列ARM芯片多ARM核+多DSP核。