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(jì)的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機(jī)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(jì)、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(jì)。

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(jì)得，用于設(shè)計(jì)ARMDSP的SOC（System On Chip）結(jié)構(gòu)芯片。此外，ARM芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)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(dá)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(shí)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(shí)所應(yīng)考慮的主要困素做一詳細(xì)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(shí)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(shí)鐘控制器

系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘為20MHz-133MHz，ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。不同芯片對時(shí)鐘的處理不同，有的芯片只有一個(gè)主時(shí)鐘頻率，這樣的芯片可能不能同時(shí)顧及UART和音頻時(shí)鐘準(zhǔn)確性，如Cirrus Logic的EP7312等；有的芯片內(nèi)部時(shí)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(shí)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(shí)，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

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(shí)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

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(jì)時(shí)需要計(jì)算實(shí)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(biāo)準(zhǔn)中斷（IRQ）兩個(gè)中斷向量。但各個(gè)半導(dǎo)體廠家在設(shè)計(jì)芯片時(shí)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(shí)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(jì)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(yùn)行。而Cirrus Logic公司的EP7312芯片，只有4個(gè)外部中斷源，并且 每個(gè)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(shí)，就必須用查詢方式，會浪費(fèi)大量CPU時(shí)間。

1.7 IIS（Integrate Interface of Sound）接口

即集成音頻接口。如果設(shè)計(jì)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(gè)ARM芯片都提供這個(gè)信號引腳，利用這個(gè)信號與廉價(jià)的GAL芯片就可以實(shí)現(xiàn)與符合PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)需要擴(kuò)展外部DSP協(xié)處理器時(shí)，此信號也是必需的。

1.9 RTC（Real Time Clock）

很多ARM芯片都提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，但方式不同。如Cirrus Logic公司的EP7312的RTC只是一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，需要通過軟件計(jì)算出年月日時(shí)分秒；而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日時(shí)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(jì)PDA和手持式顯示記錄設(shè)備時(shí)，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(jī)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(gè)16位立體聲音頻ADC和DAC，并且?guī)Ф鷻C(jī)驅(qū)動。

1.13 擴(kuò)展總線

大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴(kuò)展接口，不同的ARM芯片可以擴(kuò)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(kuò)展功能。

1.14 UART和IrDA

幾乎所有的ARM芯片都具有1～2個(gè)UART接口，可以用于和PC機(jī)通訊或用Angel進(jìn)行調(diào)試。一般的ARM芯片通訊波特率為115，200bps，少數(shù)專為藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM芯片的UART通訊波特率可以達(dá)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

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

1.17 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和看門狗

一般ARM芯片都具有2～4個(gè)16位或32位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和一個(gè)看門狗計(jì)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(shí)減少數(shù)據(jù)交換時(shí)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(diǎn)，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(qiáng)多任務(wù)處理能力、數(shù)學(xué)運(yùn)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(gè)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(qiáng)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(gè)ARM芯核。例如Portal player公司的PP5002內(nèi)部集成了兩個(gè)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(jì)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(gè)ARM7TDMI內(nèi)核。

2.2 ARM芯核+DSP芯核

為了增強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)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(diǎn)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(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。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(jì)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(jì)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

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(shí)候在選擇方案時(shí)，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