ARM的应用和选型

ARM的应用和选型32位RISCCPUARM芯片的应用和选型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的最佳ARM芯片选择方案。ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC(ReducedInstructionSetComputerCPU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，一直以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%以上的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，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买ARM公司的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，StrongARMARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDM1等。自V5以后，ARM公司提供PiccoloDSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARM+DSP的SOC(SystemOnChip)结构的芯片。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：温都死CE、Linux、pSOS、VxWorksMucleus、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多家芯片生产厂家，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因素做一详细的说明。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、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都带有MMU功能。而ARM7TDMI没有MMU，不支持温都死CE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和音频时钟的准确性，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不同频率的时钟，如PHILIPS公司的SAA7550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AT91F40162ATMEL2MBytes256Kbytes4KBytesAT91FR4081ATMEL1MBytes128KBytesSAA7750Philips384KBytes64KbytesPUC3030AMicronas256KBytes56KbytesHMS30C7202Hynix192KBytesML67Q4001OKI256KBytesLC67F500Snayo640KBytes32K1.4USB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S3C2410ARM920TSamsung121S3C2400ARM920TSamsung121S5N8946ARM7TDMIsamsung100L7205ARM720TLinkup110L7210ARM720TLinkup110EP9312ARM920TCirrusLogic031DragonballMX1ARM920TMotorola101SAA7750ARM720TPhilips101TMS320DSC2xARM7TDMITI100PUC3030AARM7TDMIMicronas105AAEC-2000ARM920TAgilent100ML67100ARM7TDMIOKI100ML7051LAARM7TDMIOKI100SA-1100StrongARMIntel100LH79531ARM7TDMISharp100GMS320C7201ARM720THynix1011.5GPIO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不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。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的工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750，所有GPIO都可以设置成FIQ或IRQ，并且可以选择上升沿、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者高电平中断，这样在用于接收红外线信号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量的CPU时间。1.7IIS(IntegrateInterfaceofSound)接口即集成音频接口。如果设计音频应用产品，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。某些特殊应用的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公司的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TMS320DSC2XTI16bitsC5000500DigitalCameraDragonballMX1Motorola24bits56000CD-MP3SAA7750Philips24bitsEPIC73CD-MP3VWS22100Philips16bitsOAK52GSMSTLC1502STD950VOIPGMS30C3201Hynix16bitsPiccoloSTBAT75C220ATMEL16bitsOAK40IAAT75C310ATMEL16bitsOAK40x2IAAT75C320ATMEL16bitsOAK60X2IAL7205Linkup16bitsPiccoloWirelessL7210Linkup16bitsPiccolowirelessQuatroOAK16bitsOAKDigitalImage1.16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EPXA1AlteraARM922T100K484EPXA4AlteraARM922T400K672EPXA10AlteraARM922T1000K1020TA7S20系列TriscendARM7TDMI多种多种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)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,目前常见的有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)分离出去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芯核有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ARM芯片内部集成了FPGA。见表4。3主要ARM芯片供应