??? 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" title="芯核">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" title="芯片供應(yīng)商">芯片供應(yīng)商，其產(chǎn)品以及應(yīng)用領(lǐng)域,。舉例說(shuō)明了幾種嵌入式產(chǎn)品的最佳ARM芯片選擇方案,。?

??? 關(guān)鍵詞: ARM? MMU? SOC? RISC? CPU?

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??? ARM公司自1990年正式成立以來(lái), 在32位RISC (Reduced Instruction Set Computer)CPU開(kāi)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(lái),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(shí)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(chǎng)。在低功耗,、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國(guó)際大公司已經(jīng)超過(guò)50多家,國(guó)內(nèi)中興通訊和華為通訊等公司也已經(jīng)購(gòu)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,ARM10TDMI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:Windows CE,、Linux、pSOS,、VxWorks,，Nucleus、EPOC,、uCOS,、BeOS等。?

??? 隨著國(guó)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(kāi)發(fā)人員在選擇方案時(shí)帶來(lái)一定的困難。所以,對(duì)ARM芯片做一對(duì)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(duì)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(shuō)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(kāi)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(méi)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(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(jiàn)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(jiàn)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(duì)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SAA7750等芯片,。?

1.3 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量?

??? 在不需要大容量存儲(chǔ)器時(shí),可以考慮選用有內(nèi)置存儲(chǔ)器的ARM芯片。見(jiàn)表1,。?

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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(jiàn)表2。?

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1.5 GPIO數(shù)量?

??? 在某些芯片供應(yīng)商提供的說(shuō)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(hào)的場(chǎng)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(hào)?

??? 外部總線速度控制信號(hào)。不是每個(gè)ARM芯片都提供這個(gè)信號(hào)引腳,利用這個(gè)信號(hào)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" title="協(xié)處理器">協(xié)處理器時(shí),此信號(hào)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(guò)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(yǔ)音輸出等場(chǎng)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(cè),、觸摸屏和溫度監(jiān)測(cè)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(guó)Micronas的PUC3030A沒(méi)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(jiàn)表3,。?

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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(jiàn)表4,。?

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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(duì)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(shuō)明的是封裝問(wèn)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(wú)法手工焊接,。另外一般BGA封裝的ARM芯片無(wú)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" title="處理能力">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(jiàn)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設(shè)計(jì)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(gè)ARM7TDMI內(nèi)核,。?

2.2 ARM芯核+DSP芯核?

??? 為了增強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)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芯核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定點(diǎn)DSP芯核,、TI的TMS320C5000系列DSP芯核,、Motorola的56K DSP芯核等。見(jiàn)表3,。?

2.3 ARM芯核+FPGA?

??? 為了提高系統(tǒng)硬件的在線升級(jí)能力,某些公司在ARM芯片內(nèi)部集成了FPGA,。見(jiàn)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" title="半導(dǎo)體公司">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(jiàn)表5,。日本的許多著名半導(dǎo)體公司如東芝,、三菱半導(dǎo)體、愛(ài)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(kāi)發(fā)了自主的32位CPU結(jié)構(gòu),但現(xiàn)在都轉(zhuǎn)向購(gòu)買ARM公司的芯核進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。由于它們購(gòu)買ARM版權(quán)較晚,現(xiàn)在還沒(méi)有可以銷售的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)批量生產(chǎn)了ARM芯片,。韓國(guó)的現(xiàn)代半導(dǎo)體公司也生產(chǎn)提供ARM芯片。另外,國(guó)外也有很多設(shè)備制造商采用ARM公司的芯核設(shè)計(jì)自己的專用芯片,如美國(guó)的IBM,、3COM和新加坡的創(chuàng)新科技等,。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)可以提供ARM芯片的公司有臺(tái)積電、臺(tái)聯(lián)電,、華幫電子等,。其它已購(gòu)買ARM芯核,正在設(shè)計(jì)自主版權(quán)專用芯片的大陸公司有華為通訊和中興通訊等。?

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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能不是最佳的了,。因此任何時(shí)候在選擇方案時(shí),都應(yīng)廣泛搜尋一下主要的ARM芯片供應(yīng)商,以找出最適合的芯片,。?

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參考文獻(xiàn)?