1、.32 位 RISC CPU ARM 芯片的应用和选型作者：周洁 杨 文章来源：上海交通大学电机系 点击数： 更新时间：2003-7-29ARM 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，一直以 IP(Intelligence 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
2、 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有 75%以上的 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，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已经购买 ARM 公司的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，ARM922T，ARM940T，RM946T， ARM966T，ARM10TDM1 等。自 V5以后，ARM 公司提供 Piccolo DSP 的芯核给芯片设计者，用于设计 ARM+DSP 的 SO
3、C (System On Chip) 结构的芯片。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 Mucleus、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 多家芯片生产厂家，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
4、择 ARM 芯片时所应考虑的主要因素做一详细的说明。 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、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T 都带有 MMU 功能。而 ARM7TDMI 没有 MMU，不支持 Windows CE 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。A
5、RM7 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 和音频时钟的准确性，如 Cirrus Logic 的 EP7312 等；有的芯片内部时钟控制器可以分别为 CPU 核和 USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟，如 PHILIPS 公司的 SAA7550 等芯片。 1.3 内部存储
6、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AT91F40162 ATMEL 2M Bytes 4K BytesAT91FR4081 ATMEL 1M Bytes 128K BytesSAA7750 Philips 384K Bytes 64K bytesPUC3030A Micronas 256K Bytes 56K bytesHMS30C7202 Hynix 192K BytesML67Q4001 OKI 256K BytesLC67F500 Snay
7、o 640K Bytes256K bytes32K1.4 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S3C2410 ARM920T Samsung 1 2 1S3C2400 ARM920T Samsung 1 2 1S5N8946 ARM7TDMI samsung 1 0 0L7205 ARM720T Linkup 1 1 0L7210 ARM720T Linkup 1 1
8、0EP9312 ARM920T Cirrus Logic 0 3 1Dragonball MX1 ARM920T Motorola 1 0 1SAA7750 ARM720T Philips 1 0 1TMS320DSC2x ARM7TDMI TI 1 0 0PUC3030A ARM7TDMI Micronas 1 0 5.AAEC-2000 ARM920T Agilent 1 0 0ML67100 ARM7TDMI OKI 1 0 0ML7051LA ARM7TDMI OKI 1 0 0SA-1100 StrongARM Intel 1 0 0LH79531 ARM7TDMI Sharp 1
9、0 0GMS320C7201 ARM720T Hynix 1 0 11.5 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不同的中断控制器，以便支持诸如串行口、外部中断、时钟中断等硬件中断。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的工作量。例如 PHILIPS 公司的 S
10、AA7750，所有GPIO 都可以设置成 FIQ 或 IRQ，并且可以选择上升沿、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者高电平中断，这样在用于接收红外线信号的场合时，就必须用查询方式，会浪费大量的 CPU 时间。 1.7 IIS(Integrate Interface of Sound)接口 即集成音频接口。如果设计音频应用产品，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
11、 芯片都提供这个信号引脚，利用这个信号与廉价的 GAL 芯片就可以实现与符合 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
12、ARM 芯片内置 LCD 控制器，有的甚至内置 64K 彩色 TFT LCD 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
13、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，外部数据总线有 8 位、16 位或 32 位。某些特殊应用的 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 公司的 L7205。 1.15 DSP 协处理器，见表 3。表 3 A
14、RM+DSP 结构的 ARM 芯片 芯片型号 供应商 DSP core DSP MIPS 应用TMS320DSC2X TI 16bits C5000 500 Digital CameraDragonball MX1 Motorola 24bits 56000 CD-MP3SAA7750 Philips 24bits EPIC 73 CD-MP3VWS22100 Philips 16bits OAK 52 GSMSTLC1502 ST D950 VOIPGMS30C3201 Hynix 16bits Piccolo STBAT75C220 ATMEL 16bits OAK 40 IAAT75C3
15、10 ATMEL 16bits OAK 40x2 IAAT75C320 ATMEL 16bits OAK 60X2 IAL7205 Linkup 16bits Piccolo WirelessL7210 Linkup 16bits Piccolo wirelessQuatro OAK 16bits OAK Digital 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EPXA1 Altera ARM922T 100K 484EPXA4 Al
16、tera ARM922T 400K 672EPXA10 Altera ARM922T 1000K 1020TA7S20 系列 Triscend ARM7TDMI 多种 多种1.17 时钟计数器和看门狗 一般 ARM 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
17、，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。 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
18、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,目前常见的有 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 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)分离出去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
19、+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 芯核有 ARM 公司的 Piccolo DSP 芯核、OAK 公司 16 位定点 DSP 芯核、TI 的 TMS320C5000 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
20、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、Portalplayer inc.、NetSilicon,Parthus。见表 5。日本的许多著名半导体公司如东芝、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发了自主的 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，现在还没有可以销售的 ARM 芯片，而OK
21、I、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm 等日本半导体公司目前都已经批量生产了 ARM 芯片。韩国的现代半导体公司也生产提供ARM 芯片。另外，国外也有很多设备制造商采用 ARM 公司的芯核设计自己的专用芯片，如美国的 IBM、3COM 和新加坡的创新科技等。我国台湾地区可以提供 ARM 芯片的公司有台积电、台联电、华帮电子等。其它已购买 ARM 芯核，正在设计自主版权专用芯片的大陆公司有华为通讯和中兴通讯等。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.Intel SA-110 SA-11
22、00 SA-1110 IXP1200Palm PC, NetworkTI TMS320DSC21 TMS320DSC24 TMS320DSC25 OMAP1510 Digital CameraSamsung S3C44B0X S3C2410 S3C4510 S5N8946 ADSL,PDAMotorola Dragonball MX1 BT,PDAPhilips SAA7750 VWS22100 VCS94250 VWS26001 MP3,GSM ,3G,BTCirrus Logic EP7209 EP7212 EP7312 EP9312 GP,MP3Linkup L7200 L7205 L7
23、210 WirelessATMEL AT91R40XXX AT75C310 AT76C901 AT76C502 GP, WirelessOKI ML67100 ML7051LA ML67Q4000 ML67Q2300 GP,BTSharp LH75400/1 LH79520LH79520 LH79531/2/3 LH7A400Portable handheldQualcomm MSP1000 MSM3000 MSM5000 MSM6000 CDMAST STLC1502 STw2400 VOIP,BTInfineon PMB7754 BTAnalog AD20MSP430 GSMHynix G
24、MS30C7201 HMS30C7202 HMS39C7092 STB,GPMicronas PUC3030A GP, MP3Conexant CN9414 CX82100 Network, ModemAgilent AAEC-2000 IAPortalplayer PP5002 MP3, PDANEC UPD65977 ConfigurableNetSilicon NET+15 NET+40 NET+50 PDA, PhoneLSI Logic CBP3.0 CBP4.0 L64324 BT.Alcatel MTC20276 MTK20141 MTK20285 MTC20277 Digita
25、l ImageAltera EPXA1 EPXA4 EPXA10 ConfigurablePanasonic MN1A7T0200 PDA,PhoneSilicon Wave SiW1750 BTOAK Quatro Digital ImageRohm BU6611AKU ISDNParthus InfoSream Wireless InternetIntersil ISL3856 802.11b, WLANSiRF SiRF Star II GPSSirius CDMAx DIRAC 3G CDMASanyo VOL101 CD-R, HDCVirata Helium Helium 200
26、Helium 210 Lithium CommunicationsAgere T8300 T8302 Mobile phone表 6 最佳应用方案推荐 应用 第一选择方案 第二方案 注释高档 PDA S3C2410 Dragon ball MX1便携式 CDMP3 播放器 SAA7750 USB 和 CD-ROM 解码器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 TMS320
27、DSC24 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 OMAP151010G 光纤通信 MinSpeed 公司系列 ARM 芯片 多 ARM 核+多 DSP 核4 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能不是最佳的了。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，以找出最适合的芯片。
