32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型 RISC, ARM, 芯片, CPU, 选型

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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 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 Logic0 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 0 0 
SA-1100 StrongARM Intel 1 0 0 
LH79531 ARM7TDMI Sharp 1 0 0 
GMS320C7201 ARM720T Hynix 1 0 1 

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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3　ARM+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 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 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)