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1、32 位 RISC CPU ARM 芯片的应用和选型上海交通大学电机系 (200030)周洁杨心怀摘要：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的最佳 ARM 芯片选择方案。关键词：ARMMMUSOCRISCCPUARM 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
2、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，Strong
3、ARM 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
4、，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
5、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
6、，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 4K BytesAT91FR4081 ATMEL 1M Bytes 128K BytesSAA7750 Philips 384K Bytes
7、 64K bytesPUC3030A Micronas 256K Bytes 56K bytesHMS30C7202 Hynix 192K Bytes ML67Q4001 OKI 256K Bytes LC67F500 Snayo 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 USBSlave USB Host IIS 接口S3C2410 ARM920T Samsung 1 2 1
8、S3C2400 ARM920T Samsung 1 2 1S5N8946 ARM7TDMI samsung 1 0 0L7205 ARM720T Linkup 1 1 0L7210 ARM720T Linkup 1 1 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 5AAEC-2000 ARM920T Agilent 1 0
9、 0ML67100 ARM7TDMI OKI 1 0 0ML7051LA ARM7TDMI OKI 1 0 0SA-1100 StrongARM Intel 1 0 0LH79531 ARM7TDMI Sharp 1 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
10、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
11、。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 E
12、P7312 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 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
13、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 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
14、，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 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 GSMSTLC150
15、2 ST D950 VOIPGMS30C3201 Hynix 16bits Piccolo STBAT75C220 ATMEL 16bits OAK 40 IAAT75C310 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
16、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 Altera 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，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
