1、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 CPUARM 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（Intellige
2、nce 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，ARM92
3、2T，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
4、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
5、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
6、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AT91F40162AT91FR4081SAA7750PUC3030AHMS30C7202ML67Q4001LC67F500ATMELATMELPhilipsMicronasHynixOKISnayo2M Bytes1M Bytes384K Bytes256K Byt
7、es192K Bytes256K Bytes640K Bytes256K bytes4K Bytes128K Bytes64K bytes56K bytes32K bytes1.4 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S3C2410S3C2400S5N8946L7205L7210EP9312Dragonball MX1SAA7750TMS320DSC2xPUC3030AAA
8、EC-2000ML67100ML7051LASA-1100LH7979531GMS320C7201ARM920TARM920TARM7TDMIARM720TARM720TARM920TARM920TARM720TARM7TDMIARM7TDMIARM920TARM7TDMIARM7TDMIStrongARMARM7TDMIARM720TSamsungSamsungSamsungLinkuplinkupCirrus LogicMotorolaPhilipsTIMicronasAgilentOKIOKIIntelSharpHynix111110111111111122011300000000001
9、1000111050000011.5 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
10、 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
11、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 L
12、CD 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 28 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 28 通道 812 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，
13、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 12 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
14、TMS320DSC2XDragonball MX1SAA7750VWS22100STLC1502GMS30C3201AT75C220AT75C310AT75C320L7205L7210QuatroTIMotorolaPhilipsPhilipsSTHynixATMELATMELATMELLinkupLinkupOAK16bits C500024bits 5600024bits EPIC16bits OAKD95016bits Piccolo16bits OAK16bits OAK16bits OAK16bits Piccolo16bits Piccolo16bits OAK5007352404
15、0x260X2Digital CameraCD-MP3CD-MP3GSMVOIPSTBIAIAIAWirelessWirelessDigital Image1.16 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EPXA1EPXA4EPXA10TA7S20 系列AlteraAlteraAlteraTriscendARM922TARM922TARM922TARM7TDMI100K400K1000K多种4846721020多种1.17 时钟计数器和看门狗一般 ARM
16、芯片都具有 24 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。
17、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
18、 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 24 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 TMS
19、320C5000 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、
20、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
21、、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IntelTISamsungMotorolaPhilipsCirrus LogicLinkupATMELOKISharpQualcommSTInfineonAnalogHynixSA-110TMS320DSC21S3C44B0XDragonball MX1SAA7750EP7209L7200AT91
22、R40XXXML67100LH75400/1MSP1000STLC1502PMB7754AD20MSP430GMS30C7201SA-1100TMS320DSC24S3C2410VWS22100EP7212L7205AT75C310ML7051LALH79520MSM3000STw2400HMS30C7202SA-1110TMS320DSC25S3C4510VCS94250EP7312L7210AT76C901ML67Q4000LH79531/2/3MSM5000HMS39C7092IXP1200PMAP1510S5N8946VW26001EP9312AT76C502ML67Q2300LH7A
23、400MSM6000Palm PC,NetworkDigital CameraADSL,PDABT，PDAMP3,GSM,3G,BTGP,MP3WirelessGP,WirelessGP,BTPortable handheldCDMAVOIP，BTBTGSMSTB,GPMicronasConexantAgilentPortalpayerNECNetSiliconLSI LogicAlcatelAlteraPanasonicSilicon WaveOAKRohmParthusIntersilSiRFSiriusSanyoVirataAgerePUC3030ACN9414AAEC-2000PP50
24、02UPD65977NET+15CBP3.0MTC20276EPXA1MN1A7T0200SiW1750QuatroBU6611AKUInfoSreamISL3856SiRF Star IICDMAxVOL101HeliumT8300CX82100NET+40CBP4.0MTK20141EPXA4DIRACHelium 200T8302NET+50L64324MTK20285EPXA10Helium 210MTC20277LithiumGP,MP3Network,ModemIAMP3,PDAConfigurableEthernetCDMAISDN,ADSLConfigurablePDA,Pho
25、neBTDigital ImageISDNWireless Internet802.11b,WLANGPS3G CDMACD-R HDCCommunicationsMobile phone4 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
26、码器FLASH MP3 播放器 SAA7750 PUC3030A 内置 USB 和 FLASHWLAN 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$
