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作者：cjbwty　欄目：ARM技術(shù)

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32位RISC CPU ARM芯片的應(yīng)用和選型
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)品的最佳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，一直以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(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(jì)。
目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI，StrongARM ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，
ARM966T，ARM10TDM1等。自V5以后，ARM公司提供Piccolo DSP的芯核給芯片設(shè)計(jì)者，用于設(shè)計(jì)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(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：溫都死 CE、Linux、pSOS、VxWorks Mucleus、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(huì)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(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)考慮的主要因素做一詳細(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、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都帶有MMU功能。而ARM7TDMI沒有MMU，不支持溫都死 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)鐘的準(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不同頻率的時(shí)鐘，如PHILIPS公司的SAA7550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
芯片型號供應(yīng)商 FLASH容量 ROM容量 SRAM容量
AT91F40162 ATMEL 2M Bytes 256K bytes 4K Bytes
AT91FR4081 ATMEL 1M Bytes 128K Bytes
SAA7750 PHILIPS 384K Bytes 64K bytes
PUC3030A MICRONAS 256K Bytes 56K bytes
hms30c7202 HYNIX 192K Bytes
ML67Q4001 OKI 256K Bytes
LC67F500 Snayo 640K Bytes 32K

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
芯片型號 ARM內(nèi)核供應(yīng)商 USB　Slave USB Host IIS接口
S3C2410 ARM920T SAMSUNG 1 2 1
S3C2400 ARM920T SAMSUNG 1 2 1
S5N8946 ARM7TDMI SAMSUNG 1 0 0
L7205 ARM720T Linkup 1 1 0
L7210 ARM720T Linkup 1 1 0
EP9312 ARM920T Cirrus LOGIC 0 3 1
DRAGONBALL MX1 ARM920T MOTOROLA 1 0 1
SAA7750 ARM720T PHILIPS 1 0 1
TMS320DSC2x ARM7TDMI TI 1 0 0
PUC3030A ARM7TDMI MICRONAS 1 0 5
AAEC-2000 ARM920T AGILENT 1 0 0
ML67100 ARM7TDMI OKI 1 0 0
ML7051LA ARM7TDMI OKI 1 0 0
SA-1100 StrongARM INTEL 1 0 0
LH79531 ARM7TDMI SHARP 1 0 0
GMS320C7201 ARM720T HYNIX 1 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(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)加入了自己不同的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時(shí)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(jì)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(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者高電平中斷，這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(huì)浪費(fèi)大量的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)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(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(dòng)。

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)用的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 公司的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 TI 16bits C5000 500 DIGITAL Camera
DRAGONBALL MX1 MOTOROLA 24bits 56000 CD-MP3
SAA7750 PHILIPS 24bits EPIC 73 CD-MP3
VWS22100 PHILIPS 16bits OAK 52 GSM
STLC1502 ST D950 VOIP
GMS30C3201 HYNIX 16bits Piccolo STB
AT75C220 ATMEL 16bits OAK 40 IA
AT75C310 ATMEL 16bits OAK 40x2 IA
AT75C320 ATMEL 16bits OAK 60X2 IA
L7205 Linkup 16bits Piccolo Wireless
L7210 Linkup 16bits Piccolo wireless
Quatro OAK 16bits OAK 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 ALTERA ARM922T 100K 484
EPXA4 ALTERA ARM922T 400K 672
EPXA10 ALTERA ARM922T 1000K 1020
TA7S20系列 Triscend ARM7TDMI 多種多種

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�？梢赃x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,目前常見的有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)分離出去的專門致力于高速通訊芯片

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作者： llgcyc 于 2005/4/3 13:08:00 發(fā)布： [轉(zhuǎn)貼]ARM的應(yīng)用和選型大家喜歡謝謝！

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