32位RISC CPU ARM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：ARM MMU SOC RISC CPU ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）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（Intelligence Property）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Piccolo DSP的芯核给芯片设计得，用于设计ARMDSP的SOC（System On Chip）结构芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（Real Time Operating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、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。 1 ARM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。 1.1 ARM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（memory management unit）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Windows 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和音频时钟准确性，如Cirrus Logic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 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 许多ARM芯片内置有USB控制器，有些芯片甚至同时有USB Host和USB Slave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 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Cirrus Logic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。 1.7 IIS（Integrate Interface of Sound）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。 1.8 nWAIT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。 1.9 RTC（Real Time Clock） 很多ARM芯片都提供实时时钟功能，但方式不同。如Cirrus Logic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。 1.10 LCD控制器 有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64K彩色TFT LCD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。 1.11 PWM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。 1.12 ADC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。 1.14 UART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。 1.15 DSP协处理器，见表3。 表3 ARM+DSP结构的ARM芯片 芯片型号 供应商 DSP core DSP MIPS 应 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 内置FPGA 有些ARM芯片内置有FPGA，适合于通讯等领域。见表4。 表4 ARM+FPGA结构的ARM芯片 芯片型号 供应商 ARM芯核 FPGA门数 引脚数 EPXA1 EPXA4 EPXA10 TA7S20系列 Altera Altera Altera Triscend ARM922T ARM922T ARM922T ARM7TDMI 100K 400K 1000K 多种 484 672 1020 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。 1.19 DMA控制器 有些ARM芯片内部集成有DMA（Direct Memory Access），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-ROM Decoder,Ethernet MAC,VGA controller，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Portal player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。 2.2 ARM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Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56K DSP芯核等。见表3。 2.3 ARM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芯片供应商 目前可以提供ARM芯片的著名欧美半导体公司有：英特尔、德洲仪器、三星半导体、摩托罗拉、飞利浦半导体、意法半导体、亿恒半导体、科胜讯、ADI公司、安捷伦、高通公司、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas,Silicon Wave、Virata、Portalplayer inc.、NetSilicon，Parthus。见表5。日本的许多著名半导体公司或东芝、三菱半导体、爱普生、富士通半导体、松下半导体等公司较早期都大力投入开了自主的32位CPU结构，但现在都转向购买ARM公司的芯核进行新产品设计。由于它们购买ARM版权较晚，现在还没有可销售的ARM芯片，而OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm等日本半导体公司目前都已经已经指生产了ARM芯片。韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。另外 ，国外也很多设备制造商采用ARM公司芯核设计自己的专用芯片，如美国的IBM、3COM和新加坡的创新科技等。我国台湾地区可以提供ARM芯片的公司台积电、台联电、华帮电子等。其它已购买ARM芯核，正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司会为通讯中兴通讯等。 表5 主要ARM芯片供应商及其代表性产品和主要应用领域 供应商 芯片1 芯片2 芯片3 芯片4 主要应用 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 选择方案举例 表6列举的最佳方案仅供参考，由于SOC集成电路的发展非常迅速，今天的最佳方案到明天就可以不是最佳的了。因此任何时候在选择方案时，都应广泛搜寻一下主要的ARM芯片供应商，以找出最适合芯片。 表6 最佳应用方案推荐 应 用 第一选择方案 第二选择方案 注 释 高档PDA S3C2410 Dragon ball MX1 　 便携CDMP3播放器 SAA7750 　 USB和CD-ROM解码器 FLASH MP3播放器 SAA7750 PUC3030A 内置USB和FLASH WLAN和BT应用产品 L7205，L7210 Dragon ball MX1 高速串口和PCMCIA接口 Voice Over IP STLC1502 　 数字式照相机 TMS320DSC24 TMS320DSC21 内置高速图像处理DSP 便携式语音email 机 AT75C320 AT75C310 内置双DSP，可以分别处理MODEM和语音 GSM手机 VWS22100 AD20MSP430 专为GSM手机开发 ADSL Modem S5N8946 MTK-20141 　 电视机顶盒 GMS30C3201 　 VGA控制器 3G移动电话机 MSM6000 OMAP1510 　 10G光纤通信 MinSpeed公司系列ARM芯片 多ARM核+多DSP核