ARM系列微处理器简介之：ARM芯片的特点与选型

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        1.5  ARM芯片的特点与选型

        1.5.1  不同系列处理器间的比较

        表1.3显示了ARM7、ARM9、ARM10及ARM11内核之间属性的比较。有些属性依赖于生产过程和工艺，具体芯片需参阅其芯片手册。
         
        表1.3 ARM系列处理器属性比较

项    目	ARM7	ARM9	ARM10	ARM11
流水线深度	3级	5级	6级	8级
典型频率（MHz）	80	150	260	335
功耗（mw/ MHz）	0.06	0.19（+Cache）	0.5（+Cache）	0.4（+Cache）
MIPS/ MHz	0.97	1.1	1.3	1.2
架构	冯·诺伊曼	哈佛	哈佛	哈佛
乘法器	8×32	8×32	16×32	16×32

         
        表1.4总结了各种处理器的不同功能。
        表1.4 ARM处理器不同功能特性

CPU核	MMU/MPU	Cache	Jazelle	Thumb	指令集	E
ARM7TDMI	无	无	否	是	v4T	否
ARM7EJ-S	无	无	是	是	v5TEJ	是
ARM720T	MMU	统一8KBCache	否	是	v4T	否
ARM920T	MMU	独立16KB指令和数据Cache	否	是	v4T	否
ARM922T	MMU	独立8KB指令和数据Cache	否	是	v4T	否
ARM926EJ-S	MMU	Cache和TCM可配置	是	是	v5TEJ	是
ARM940T	MPU	独立4KB指令和数据Cache	否	是	v4T	否
ARM946E-S	MPU	Cache和TCM可配置	否	是	v5TE	是
ARM966E-S	无	Cache和TCM可配置	否	是	v5TE	是
ARM1020E	MMU	独立32KB指令和数据Cache	否	是	v5TE	是
ARM1022E	MMU	独立16KB指令和数据Cache	否	是	v5TE	是
ARM1026EJ-S	MMU	Cache和TCM可配置	是	是	v5TE	是
ARM1036J-S	MMU	Cache和TCM可配置	是	是	v6	是
ARM1136JF-S	MMU	Cache和TCM可配置	是	是	v6	是

         

        1.5.2  ARM芯片的选型

        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，开发人员在选择方案时会有一定的困难。所以对ARM芯片做对比研究是十分必要的。
         
        1．ARM芯片选择的一般原则

        从应用角度看，在选择ARM芯片时应从以下几个方面考虑。
         
        （1）ARM芯核
        如果希望使用Windows CE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。
         
        （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0.97MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20～133MHz，ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟为100～233MHz，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。
         
        （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。表1.5列出了内置存储器的ARM芯片。
         
        表1.5 内置存储器的ARM芯片

芯 片 型 号	供  应  商	Flash容量	ROM容量	SDAM容量
AT91F40162	ATMEL	2MB	256KB	4KB
AT91FR4081	ATMEL	1MB		128KB
SAA7750	Philips	384KB		64KB
PUC3030A	Micornas	256KB		56KB
HMS30C7272	Hynix	192KB
LC67F500	Snayo	640KB		32KB

         
        （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。表1.6显示了内置USB控制器的ARM芯片。
        表1.6 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 logic	0	3	1
Dragonball MX1	ARM920T	Motorola	1	0	1
SAA7750	ARM720T	Plilips	1	0	1
TMS320DSC2x	ARM7TDMI	TI	1	0	0
PUC3030A	ARM7TDMI	Micronas	1	0	5
ML67100	ARM7TDMI	OKI	1	0	0
ML7051LA	ARM7TDMI	OKI	1	0	0
SA-1100	StrongARM	Intel	1	0	0

        续表

芯 片 型 号	ARM内核	供  应  商	USB Slave	USB Host	IIS接口
LH7979531	ARM7TDMI	Sharp	1	0	0
GMS320C7201	ARM720T	Hynix	1	0	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。
         
        （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定义的中断控制器，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地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，并且可以选择上升沿、下降沿、高电平和低电平4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高电平中断，这样在接收红外线信号的场合必须用查询方式，浪费大量CPU时间。
         
        （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。
         
        （8）nWAIT信号
        这是一个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。
         
        （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。
         
        （10）LCD控制器
        有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64KB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。
         
        （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。
         
        （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。
         
        （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。为某些特殊应用设计的ARM芯片（如德国Micronas的PUC3030A）没有外部扩展功能。
         
        （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机通信或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通信波特率为115200bit/s，少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通信波特率可以达到920kbit/s，如Linkup公司L7205。
         
        （15）DSP协处理器
         
        表1.7总结了ARM+DSP结构的ARM芯片。
        表1.7 ARM+DSP结构的ARM芯片

芯 片 型 号	供  应  商	DSP Core	DSP MIPS	应    用
TMS320DSC2X	TI	16bit C5000	500	数码照相机
Dragonball MX1	Motorola	24bit 56000		MP3播放器
SAA7750	Philips	24bit EPIC	73	CD-MP3
VWS22100	Philips	16bit OAK		GSM
STLC1502	ST	D950	52	VoIP
GMS30C3201	Hynix	16bit Piccolo
AT75C220	ATMEL	16bit OAK	40
AT75C310	ATMEL	16bit OAK
AT75C320	ATMEL	16bit OAK	40×2
L7205	Linkup	16bit Piccolo	60×2	无线应用
L7210	Linkup	16bit Piccolo
Quatro	OAK	16bit OAK

         
        （16）内置FPGA
        有些ARM芯片内置有FPGA，适合于通信等领域。表1.8总结了ARM+FPGA结构的ARM芯片。
        表1.8 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	100000	484
EPXA4	Altera	ARM922T	400000	672
EPXA10	Altera	ARM922T	1000000	1020
TA7S20系列	Triscend	ARM7TDMI	多种	多种

         
        （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。
         
        （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。
         
        （19）DMA控制器
        有些ARM芯片内部集成有DMA（Direct Memory Access）接口，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。
         
        （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）分离出来的专门致力于高速通信芯片设计生产的MinSpeed公司在其多款高速通信芯片中集成了2～4个ARM7TDMI内核。
         
        （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芯核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核和Motorola的56K DSP芯核等。见表1.7。
         
        （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1.8。
         
        3．选择方案举例

        表1.9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能不是最佳的了。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，以找出最适合的芯片。
         
        表1.9 最佳应用方案推荐

应    用	第 一 方 案	第 二 方 案	备    注
高档PDA	S3C2410	Dragon ball MX1
便携CD MP3播放器	SAA7750		USB和CDROM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
VoiceOver IP	STLC1502
数码照相机	TMS320DSC24	TMS320DSC21	内置高速图像处理DSP

        续表

应    用	第 一 方 案	第 二 方 案	备    注
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+DSP核