ARM的介绍和选择

ARM的介绍和选择
http://www.laogu.com/wz_1425.htm

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的最佳ARM芯片选择方案。

关键词：ARM MMU SOC RISC CPU

ARM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SOC (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。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   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

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     UsbSlave  UsbHost 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SAA7750,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2~8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2~8通道8~12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,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1~2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3ARM+DSP结构的ARM芯片 

芯片型号        应商     DSP core       DSP MIPS   应用 

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 内置FPGA

有些ARM芯片内置有FPGA,适合于通讯等领域。见表4。 

表4ARM+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    484 
EPXA4      Altera   ARM922T 400K    672 
EPXA10     Altera   ARM922T 1000K   1020 
TA7S20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2~4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。

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2~4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OKI、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-1100 SA-1110 IXP1200             Palm PC, Network 
TI           TMS320DSC21 TMS320DSC24 TMS320DSC25 OMAP1510    Digital Camera 
Samsung      S3C44B0X    S3C2410 S3C4510 S5N8946             ADSL,PDA 
Motorola     Dragonball  MX1                                 BT,PDA 
Philips      SAA7750     VWS22100 VCS94250 VWS26001          MP3,GSM ,3G,BT 
Cirrus       Logic       EP7209 EP7212 EP7312 EP9312         GP,MP3 
Linkup       L7200       L7205 L7210                         Wireless 
ATMEL        AT91R40XXX  AT75C310 AT76C901 AT76C502          GP, Wireless 
OKI          ML67100     ML7051LA ML67Q4000 ML67Q2300        GP,BT 
Sharp        LH75400/1   LH79520LH79520 LH79531/2/3 LH7A400  Portable handheld 
Qualcomm     MSP1000     MSM3000 MSM5000 MSM6000             CDMA 
ST           STLC1502    STw2400                             VOIP,BT 
Infineon     PMB7754                                         BT 
Analog       AD20MSP430                                      GSM 
Hynix        GMS30C7201  HMS30C7202 HMS39C7092               STB,GP 
Micronas     PUC3030A                                        GP,MP3 
Conexant     CN9414 CX82100                                  Network, Modem 
Agilent      AAEC-2000                                       IA 
Portalplayer PP5002                                          MP3, PDA 
NEC          UPD65977                                        Configurable 
NetSilicon   NET+15 NET+40 NET+50                            PDA, Phone 
LSI Logic    CBP3.0 CBP4.0 L64324                            BT 
Alcatel      MTC20276 MTK20141 MTK20285 MTC20277             Digital Image 
Altera       EPXA1 EPXA4 EPXA10                              Configurable 
Panasonic    MN1A7T0200                                      PDA,Phone 
Silicon Wave SiW1750                                         BT 
OAK          Quatro                                          Digital Image 
Rohm         BU6611AKU                                       ISDN 
Parthus      InfoSream                                       Wireless Internet 
Intersil     ISL3856                                         802.11b, WLAN 
SiRF         SiRF Star II                                    GPS 
Sirius       CDMAx DIRAC                                     3G CDMA 
Sanyo        VOL101                                          CD-R, HDC 
Virata       Helium Helium 200 Helium 210 Lithium            Communications 
Agere        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 
FLASHMP3播放器      SAA7750 PUC3030A             内置USB和FLASH 
WLAN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 
ADSLModem          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 

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。