ARM芯片的应用和选型

发 布 时 间 : 2008-11-19 来 源 : 上海交通大学 作 者 : 周 洁 杨心怀 浏 览 :

本网站推荐该文的选型思路,但对于其中的选型方案,认为属一家之言,仅供参考

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 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,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,ARM922T,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

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

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S3C2410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L7205。

1.15 DSP协处理器,见表3。

表3 ARM DSP结构的ARM芯片

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4 ARM FPGA结构的ARM芯片

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苡核有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、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

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


 

 

 



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