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ARM芯片的应用和选型

专家
2009-03-24 12:42:42    评分
ARM芯片的应用和选型

 

ARM公司自1990年正式成立以来,在32位RISCReduced Instruction Set ComputerCPU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IPIntelligence 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ARM7TDMIStrongARMARM720TARM9TDMIARM922TARM940TRM946TARM966TARM10TDMI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ARMDSPSOCSystem 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 CELinuxpSOSVxWorksNucleusEPOCuCOSBeOS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WinCELinux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMUmemory management unit)功能的ARM芯片,ARM720TStron-gARMARM920TARM922TARM946T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-133MHzARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz,常见的ARM9的系统主时钟为100MHz-233MHzARM10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 LogicEP7312等;有的芯片内部时钟控制器可以分别为CPU核和USBUARTDSP、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

芯片型号 供应商 FLASH容量 ROM容量 SRAM容量
AT91F40162
AT91FR4081
SAA7750
PUC3030A
HMS30C7202
ML67Q4001
LC67F500
ATMEL
ATMEL
Philips
Micronas
Hynix
OKI
Snayo
2M Bytes
1M Bytes
384K Bytes
256K Bytes
192K Bytes
256K Bytes
640K Bytes
256K bytes 4K Bytes
128K Bytes
64K bytes
56K bytes


32K bytes

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 HostUSB 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
S3C2400
S5N8946
L7205
L7210
EP9312
Dragonball MX1
SAA7750
TMS320DSC2x
PUC3030A
AAEC-2000
ML67100
ML7051LA
SA-1100
LH7979531
GMS320C7201
ARM920T
ARM920T
ARM7TDMI
ARM720T
ARM720T
ARM920T
ARM920T
ARM720T
ARM7TDMI
ARM7TDMI
ARM920T
ARM7TDMI
ARM7TDMI
StrongARM
ARM7TDMI
ARM720T
Samsung
Samsung
Samsung
Linkup
linkup
Cirrus Logic
Motorola
Philips
TI
Micronas
Agilent
OKI
OKI
Intel
Sharp
Hynix
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
0
1
1
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
5
0
0
0
0
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FIQIRQ,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 IISIntegrate 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 RTCReal 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EP7312RTC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SAA7750S3C2410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 ADCDAC

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。PHILIPSSAA7750更是内置了一个16位立体声音频ADCDAC,并且带耳机驱动。

1.13 扩展总线

大部分ARM芯片具有外部SDRAMSRAM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MicronasPUC3030A没有外部扩展功能。

1.14 UARTIrDA

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

芯片型号 供应商 DSP core DSP MIPS 应  用
TMS320DSC2X
Dragonball MX1
SAA7750
VWS22100
STLC1502
GMS30C3201
AT75C220
AT75C310
AT75C320
L7205
L7210
Quatro
TI
Motorola
Philips
Philips
ST
Hynix
ATMEL
ATMEL
ATMEL
Linkup
Linkup
OAK
16bits C5000
24bits 56000
24bits EPIC
16bits OAK
D950
16bits Piccolo
16bits OAK
16bits OAK
16bits OAK
16bits Piccolo
16bits Piccolo
16bits OAK
500

73
52


40
40x2
60X2
Digital Camera
CD-MP3
CD-MP3
GSM
VOIP
STB
IA
IA
IA
Wireless
Wireless
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
EPXA4
EPXA10
TA7S20系列
Altera
Altera
Altera
Triscend
ARM922T
ARM922T
ARM922T
ARM7TDMI
100K
400K
1000K
多种
484
672
1020
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DMADirect 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:HDLCSDLCCD-ROM Decoder,Ethernet MAC,VGA controllerDC-DC。可以选择的内置接口有:IICSPDIFCANSPIPCIPCMCIA

最后需说明的是封装问题。ARM芯片现在主要的封装有QFPTQFPPQFPLQFPBGALBGA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+DSPARM+FPGAARM+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、TITMS320C5000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、AtmelIntersilAlcatelAlteraCirrus LogicLinkupParthusLSI LogicMicronas,Silicon WaveVirataPortalplayer inc.NetSiliconParthus。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OKINECAKMOAKSharpSanyoSonyRohm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

供应商 芯片1 芯片2 芯片3 芯片4 主要应用
Intel
TI
Samsung
Motorola
Philips
Cirrus Logic
Linkup
ATMEL
OKI
Sharp
Qualcomm
ST
Infineon
Analog
Hynix
Micronas
Conexant
Agilent
Portalpayer
NEC
NetSilicon
LSI Logic
Alcatel
Altera
Panasonic
Silicon Wave
OAK
Rohm
Parthus
Intersil
SiRF
Sirius
Sanyo
Virata
Agere
SA-110
TMS320DSC21
S3C44B0X
Dragonball MX1
SAA7750
EP7209
L7200
AT91R40XXX
ML67100
LH75400/1
MSP1000
STLC1502
PMB7754
AD20MSP430
GMS30C7201
PUC3030A
CN9414
AAEC-2000
PP5002
UPD65977
NET+15
CBP3.0
MTC20276
EPXA1
MN1A7T0200
SiW1750
Quatro
BU6611AKU
InfoSream
ISL3856
SiRF Star II
CDMAx
VOL101
Helium
T8300
SA-1100
TMS320DSC24
S3C2410

VWS22100
EP7212
L7205
AT75C310
ML7051LA
LH79520
MSM3000
STw2400


HMS30C7202

CX82100



NET+40
CBP4.0
MTK20141
EPXA4







DIRAC

Helium 200
T8302
SA-1110
TMS320DSC25
S3C4510

VCS94250
EP7312
L7210
AT76C901
ML67Q4000
LH79531/2/3
MSM5000



HMS39C7092





NET+50
L64324
MTK20285
EPXA10









Helium 210
IXP1200
PMAP1510
S5N8946

VW26001
EP9312

AT76C502
ML67Q2300
LH7A400
MSM6000











MTC20277










Lithium
Palm PC,Network
Digital Camera
ADSL,PDA
BT,PDA
MP3,GSM,3G,BT
GP,MP3
Wireless
GP,Wireless
GP,BT
Portable handheld
CDMA
VOIP,BT
BT
GSM
STB,GP
GP,MP3
Network,Modem
IA
MP3,PDA
Configurable
Ethernet
CDMA
ISDN,ADSL
Configurable
PDA,Phone
BT
Digital Image
ISDN
Wireless Internet
802.11b,WLAN
GPS
3G CDMA
CD-R HDC
Communications
Mobile phone

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

应  用 第一选择方案 第二选择方案 注  释
高档PDA S3C2410 Dragon ball MX1  
便携CDMP3播放器 SAA7750   USB和CD-ROM解码器
FLASH MP3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
ADSL Modem 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



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