2019年10月18日 | 32位RISC-CPU-ARM芯片的应用和选型

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最佳ARM芯片选择方案。

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，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ARM7TDMI，StrongARM，ARM720T，ARM9TDMI，ARM922T，ARM940T，RM946T，ARM966T，ARM10TDMI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ARMDSP的SOC（System OnChip）结构芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统（RealTime Operating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks、Nucleus、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（memorymanagement unit）功能的ARM芯片，ARM720T、Stron-gARM、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。

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

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

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FIQ或IRQ，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 IIS（Integrate 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 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L7205。

1.15 DSP协处理器，见表3。

表3 ARM+DSP结构的ARM芯片

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

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），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,VGAcontroller，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。

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、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56KDSP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、Atmel、Intersil、Alcatel、Altera、Cirrus Logic、Linkup、Parthus、LSI Logic、Micronas,Silicon Wave、Virata、Portalplayer inc.、NetSilicon，Parthus。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OKI、NEC、AKM、OAK、Sharp、Sanyo、Sony、Rohm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

4 选择方案举例