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" title="芯核">芯核结构的ARM芯片。列举了目前的主要ARM芯片供应商" title="芯片供应商">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: ARM  MMU  SOC  RISC  CPU 

    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,ARM10TDMI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，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。 

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。 

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" title="协处理器">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。 

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。 

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，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" title="处理能力">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，目前常见的有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)分离出去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、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" title="半导体公司">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如东芝、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发了自主的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,现在还没有可以销售的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批量生产了ARM芯片。韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。另外,国外也有很多设备制造商采用ARM公司的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芯片的公司有台积电、台联电、华帮电子等。其它已购买ARM芯核,正在设计自主版权专用芯片的大陆公司有华为通讯和中兴通讯等。 

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。 

参考文献