??? 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" title="芯核">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" title="芯片供應(yīng)商">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)品的最佳ARM芯片選擇方案。?

??? 關(guān)鍵詞: ARM? MMU? SOC? RISC? CPU?

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??? 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,一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導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%以上的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)導地位。現(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,國內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也已經(jīng)購買ARM公司的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以后,ARM公司提供Piccolo DSP的芯核給芯片設(shè)計者,用于設(shè)計ARM+DSP 的SOC (System On Chip) 結(jié)構(gòu)的芯片。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多家芯片生產(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)考慮的主要因素做一詳細的說明。?

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、StrongARM、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和音頻時鐘的準確性,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不同頻率的時鐘,如PHILIPS公司的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。?

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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。?

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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。但各個半導體廠家在設(shè)計芯片時加入了自己不同的中斷控制器,以便支持諸如串行口、外部中斷、時鐘中斷等硬件中斷。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)度的工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750,所有GPIO都可以設(shè)置成FIQ或IRQ,并且可以選擇上升沿、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者高電平中斷,這樣在用于接收紅外線信號的場合時,就必須用查詢方式,會浪費大量的CPU時間。?

1.7 IIS(Integrate Interface of Sound)接口?

??? 即集成音頻接口。如果設(shè)計音頻應(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" title="協(xié)處理器">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)用的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 公司的L7205。?

1.15 DSP協(xié)處理器,見表3。?

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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。?

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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。可以選擇的內(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" title="處理能力">處理能力、數(shù)學運算能力、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，目前常見的有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)分離出去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芯核有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體公司" title="半導體公司">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、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體公司如東芝、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發(fā)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)在還沒有可以銷售的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(jīng)批量生產(chǎn)了ARM芯片。韓國的現(xiàn)代半導體公司也生產(chǎn)提供ARM芯片。另外,國外也有很多設(shè)備制造商采用ARM公司的芯核設(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芯片的公司有臺積電、臺聯(lián)電、華幫電子等。其它已購買ARM芯核,正在設(shè)計自主版權(quán)專用芯片的大陸公司有華為通訊和中興通訊等。?

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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能不是最佳的了。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,以找出最適合的芯片。?

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參考文獻?