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作者: chapman789    時間: 2018-2-22 16:08
標(biāo)題: 32位RISC-CPU-ARM芯片的應(yīng)用和選型
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。

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(dǎo)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、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。

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)計得，用于設(shè)計ARMDSP的SOC（System OnChip）結(jié)構(gòu)芯片。此外，ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)（RealTime 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)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（memorymanagement 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(dá)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和音頻時鐘準(zhǔn)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同頻率的時鐘，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，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

  芯片型號
  		  供應(yīng)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

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。

表2 內(nèi)置USB控制器的ARM芯片

  
芯片型號
  		  
ARM內(nèi)核
  		  
供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)中斷（IRQ）兩個中斷向量。但各個半導(dǎo)體廠家在設(shè)計芯片時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才高電平中斷，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CPU時間。
1.7 IIS（Integrate Interface of Sound）接口
即集成音頻接口。如果設(shè)計者頻應(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(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)需要擴展外部DSP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(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

  
芯片型號
  		  
供應(yīng)商
  		  
DSP core
  		  
DSP MIPS
  		  
應(yīng)  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 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

  
芯片型號
  		  
供應(yīng)商
  		  
ARM芯核
  		  
FPGA門數(shù)
  		  
引腳數(shù)
  
  EPXA1
  EPXA4
  EPXA10
  TA7S20系列
  		  
Altera
  Altera
  Altera
  Triscend
  		  
ARM922T
  ARM922T
  ARM922T
  ARM7TDMI
  		  
100K
  400K
  1000K
  多種
  		  
484
  672
  1020
  多種
  
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,VGAcontroller，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、數(shù)學(xué)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）分離出云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(xué)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苡核有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56KDSP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。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

  
供應(yīng)商
  		  
芯片1
  		  
芯片2
  		  
芯片3
  		  
芯片4
  		  
主要應(yīng)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 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，以找出最適合芯片。

表6 最佳應(yīng)用方案推薦

  
應(yīng)  用
  		  
第一選擇方案
  		  
第二選擇方案
  		  
注  釋
  
  高檔PDA
  		  S3C2410
  		  
Dragon ball MX1
  		  　
  
  便攜CDMP3播放器
  		  SAA7750
  		  
　
  		  USB和CD-ROM解碼器
  
  FLASH MP3播放器
  		  SAA7750
  		  
PUC3030A
  		  內(nèi)置USB和FLASH
  
  WLAN和BT應(yīng)用產(chǎn)品
  		  L7205，L7210
  		  
Dragon ball MX1
  		  高速串口和PCMCIA接口
  
  Voice Over IP
  		  STLC1502
  		  
　
  		  
  
  數(shù)字式照相機
  		  TMS320DSC24
  		  
TMS320DSC21
  		  內(nèi)置高速圖像處理DSP
  
  便攜式語音email 機
  		  AT75C320
  		  
AT75C310
  		  內(nèi)置雙DSP，可以分別處理MODEM和語音
  
  GSM手機
  		  VWS22100
  		  
AD20MSP430
  		  專為GSM手機開發(fā)
  
  ADSL Modem
  		  S5N8946
  		  
MTK-20141
  		  　
  
  電視機頂盒
  		  GMS30C3201
  		  
　
  		  VGA控制器
  
  3G移動電話機
  		  MSM6000
  		  
OMAP1510
  		  　
  
  10G光纖通信
  		  MinSpeed公司系列ARM芯片
  		  多ARM核+多DSP核
  

32位RISC-CPU-ARM芯片的應(yīng)用和選型.doc

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