32位RISCCPUARM芯片的应用和选型

32位RISCCPUARM芯片的应用和选型摘要：ARM公司以及ARM芯片的现状和发展，从应用的角度介绍了ARM芯片的选择方法，并介绍了具有多芯核结构的ARM芯片。列举了目前的主要ARM芯片供应商，其产品以及应用领域。举例说明了几种嵌入式产品最佳ARM芯片选择方案。关键词：ARMMMUSOCRISCCPUARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，直以IP（IntelligenceProperty）提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50多家，国中兴通讯和华为通讯等公司已经购买ARM公司芯核用于通讯专用芯片的设计。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的芯核给芯片设计得，用于设计ARMDSP的SOC（SystemOnChip）结构芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）供应商的支持，比较知名的有：WindowsCE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。随着国内嵌入式应用领域的发展，ARM芯片必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM芯片有多达十几种的芯核结构，70多芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难。所以，对ARM芯片做一对比研究是十分必要的。1ARM芯片选择的一般原则从应用的角度，对在选择ARM芯片时所应考虑的主要困素做一详细的说明。1.1ARM芯核如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU（memorymanagementunit）功能的ARM芯片，ARM720T、Stron-gARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都带有MMU功能。而ARM7TDMI没有MMU，不支持WindowsCE和大部分的Linux，但目前有uCLinux等少数几种Linux不需要MMU的支持。1.2系统时钟控制器系统时钟决定了ARM芯片的处理速度。ARM7的处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz，ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只有一个主时钟频率，这样的芯片可能不能同时顾及UART和音频时钟准确性，如CirrusLogic的EP7312等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为CPU核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供同频率的时钟，如PHILIPS公司SAA7750等芯片。1.3内部存储器容量在不需要大容量存储器时，可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片。见表1。表1内置存储器的ARM芯片芯片型号供应商FLASH容量ROM容量SRAM容量AT91F40162AT91FR4081SAA7750PUC3030AHMS30C7202ML67Q4001LC67F500ATMELATMELPhilipsMicronasHynixOKISnayo2MBytes1MBytes384KBytes256KBytes192KBytes256KBytes640KBytes256Kbytes4KBytes128KBytes64Kbytes56Kbytes32Kbytes1.4USB接口许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USBHost和USBSlave控制器。见表2。表2内置USB控制器的ARM芯片芯片型号ARM内核供应商USBSlaveUSBHostIIS接口S3C2410S3C2400S5N8946L7205L7210EP9312DragonballMX1SAA7750TMS320DSC2xPUC3030AAAEC-2000ML67100ML7051LASA-1100LH7979531GMS320C7201ARM920TARM920TARM7TDMIARM720TARM720TARM920TARM920TARM720TARM7TDMIARM7TDMIARM920TARM7TDMIARM7TDMIStrongARMARM7TDMIARM720TSamsungSamsungSamsungLinkuplinkupCirrusLogicMotorolaPhilipsTIMicronasAgilentOKIOKIIntelSharpHynix1111101111111111220113000000000011000111050000011.5GPIO数量在某些芯片供应商提供的说明书中，往往申明的是最大可能的GPIO数量，但是有许多引脚是和地址线、数据线、串口线等引脚复用的。这样在系统设计时需要计算实际可以使用的GPIO数量。1.6中断控制器ARM内核只提供快速中断（FIQ）和标准中断（IRQ）两个中断向量。但各个半导体厂家在设计芯片时加入了自己同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟断等硬件中断。外部中断控制是选择芯片必须考虑的重要因素，合理的外部中断设计可以很大程度的减少任务调度工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750，所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ，并且可以选择升沿、下降沿、高电平、低电平四种中断方式。这使得红外线遥控接收、指轮盘和键盘等任务都可以作为背景程序运行。而CirrusLogic公司的EP7312芯片，只有4个外部中断源，并且每个中断源都只能是低电平或才高电平中断，样在用于接收红外线信号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量CPU时间。1.7IIS（IntegrateInterfaceofSound）接口即集成音频接口。如果设计者频应用产品，IIS总线接口是必需的。1.8nWAIT信号外部总线速度控制信号。不是每个ARM芯片都提供这个信号引脚，利用这个信号与廉价的GAL芯片就可以实现与符合PCMCIA标准的WLAN卡和Bluetooth卡的接口，而不需要外加高成本的PCMCIA专用控制芯片。另外，当需要扩展外部DSP协处理器时，此信号也是必需的。1.9RTC（RealTimeClock）很多ARM芯片都提供实时时钟功能，但方式不同。如CirrusLogic公司的EP7312的RTC只是一个32位计数器，需要通过软件计算出年月日时分秒；而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日时分秒格式。1.10LCD控制器有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFTLCD控制器。在设计PDA和手持式显示记录设备时，选用内置LCD控制器的ARM芯片如S1C2410较为适宜。1.11PWM输出有些ARM芯片有2～8路PWM输出，可以用于电机控制或语音输出等场合。1.12ADC和DAC有些ARM芯片内置2～8通道8～12位通用ADC，可以用于电池检测、触摸屏和温度监测等。PHILIPS的SAA7750更是内置了一个16位立体声音频ADC和DAC，并且带耳机驱动。1.13扩展总线大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM扩展接口，不同的ARM芯片可以扩展的芯片数量即片选线数量不同，外部数据总线有8位、16位或32位。某些特殊应用ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。1.14UART和IrDA几乎所有的ARM芯片都具有1～2个UART接口，可以用于和PC机通讯或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通讯波特率为115，200bps，少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通讯波特率可以达到920Kbps，如Linkup公司L7205。1.15DSP协处理器，见表3。表3ARM+DSP结构的ARM芯片芯片型号供应商DSPcoreDSPMIPS应用TMS320DSC2XDragonballMX1SAA7750VWS22100STLC1502GMS30C3201AT75C220AT75C310AT75C320L7205L7210TIMotorolaPhilipsPhilipsSTHynixATMELATMELATMELLinkupLinkupOAK16bitsC500024bits5600024bitsEPIC16bitsOAKD95016bitsPiccolo16bitsOAK16bitsOAK16bitsOAK16bitsPiccolo16bitsPiccolo16bitsOAK50073524040x260X2DigitalCameraCD-MP3CD-MP3GSMVOIPSTBIAIAIAWirelessWirelessDigitalImageQuatro1.16内置FPGA有些ARM芯片内置有FPGA，适合于通讯等领域。见表4。表4ARM+FPGA结构的ARM芯片芯片型号供应商ARM芯核FPGA门数引脚数EPXA1EPXA4EPXA10TA7S20系列AlteraAlteraAlteraTriscendARM922TARM922TARM922TARM7TDMI100K400K1000K多种4846721020多种1.17时钟计数器和看门狗一般ARM芯片都具有2～4个16位或32位时钟计数器和一个看门狗计数器。1.18电源管理功能ARM芯片的耗电量与工作频率成正比，一般ARM芯片都有低功耗模式、睡眠模式和关闭模式。1.19DMA控制器有些ARM芯片内部集成有DMA（DirectMemoryAccess），可以和硬盘等外部设备高速交换数据，同时减少数据交换时对CPU资源的占用。另外，还可以选择的内部功能部件有：HDLC，SDLC，CD-ROMDecoder,EthernetMAC,VGAcontroller，DC-DC。可以选择的内置接口有：IIC，SPDIF，CAN，SPI，PCI，PCMCIA。最后需说明的是封装问题。ARM芯片现在主要的封装有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封装具有芯片面积小的特点，可以减少PCB板的面积，但是需要专用的焊接设备，无法手工焊接。另外一般BGA封装的ARM芯片无法用双面板完成PCB布线，需要多层PCB板布线。2多芯核结构ARM芯片的选择为了增强多任务处理能力、数学运算能力、多媒体以及网络处理能力，某些供应商提供的ARM芯片内置多个芯核，目前常见的ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等结构。2.1多ARM芯核为了增强多任务处理能力和多媒体处理能力，某些ARM芯片内置多个ARM芯核。例如Portalplayer公司的PP5002内部集成了两个ARM7TDMI芯核，可以应用于便携式MP3播放器的编码器或解码器。从科胜讯公司（Conexant）分离出云的专门致力于高速通讯芯片设计生产的MinSpeed公司就在其多款高速通讯芯片中集成了2～4个ARM7TDMI内核。2.2ARM芯核+DSP芯核为了增强数学运算功能和多媒体处理功能，许多供应商在其ARM芯片内增加了DSP协处理器。通常加入的DSP苡核有ARM公司的PiccoloDSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP芯核等。见表3。2.3ARM芯核+FPGA为了提高系统硬件的在线升级能力，某些公司在AR