浅谈ARM智能工业嵌入式微处理器
2013-03-27
在科技飞速发展的今天，我们周围一切都发生着翻天覆地的变化，而传统工业也正经历着一场有着“第三次工业革命”之称的深刻变革。这场变革正发生在我们的身边，其核心是“制造业数字化”，即为“智能工业”。
“智能工业”是将具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能化的新阶段。智能工业的实现是基于物联网技术的渗透和应用，并与未来先进制造技术相结合，形成新的智能化的制造体系。所以，智能工业的关键技术在于物联网技术，而物联网技术的基础在于智能嵌入式系统应用。嵌入式微处理器具有性能强大、体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。现阶段ARM微处理器作为嵌入式系统主流趋势代表，受到越来越多的关注。由于ARM公司通过授权方式与全球主要半导体公司均有合作，导致ARM芯片类型繁多，应用方向各有侧重，增加了国内开发者进行芯片选型的难度。
在消费类电子中主要有苹果、高通、三星、英伟达等公司的ARM芯片主宰江湖，这些公司生产的 ARM芯片性能强大，接口丰富，扩展性强，程序移植方便，但生命周期短、不能适应恶略环境等特点并不适合智能工业应用。智能工业领域所需的ARM芯片要求有更高的可靠性，更强的环境适应能力，更长芯片生命周期。接下来将介绍两家有代表性的ARM智能工业嵌入式处理器的公司飞思卡尔（Freescale）和德州仪器（TI）以及其相关的嵌入式处理器产品线。
公司简介
飞思卡尔（Freescale™ Semiconductor），是美国的半导体生产厂商。2004年由摩托罗拉半导体部组建。总部位于德克萨斯州奥斯汀，是全球领先的半导体公司。飞思卡尔的主要产品为面向嵌入和通讯市场的芯片，同时飞思卡尔还是POWER体系芯片的重要提供商。飞思卡尔也是第一个将MRAM商业化的厂商。
ARM系列
飞思卡尔自ARM7开始即与ARM公司开展合作，经过不断的换代升级形成了独特的i.MX系列多媒体应用处理器，以其出色的性能、超低的功耗和丰富的多媒体内容的支持，受到全球开发者的青睐。截止2013年初已正式推出基于ARM CoertexA9的包含单核、双核、四核在内的i.MX6X系列处理器。飞思卡尔i.MX处理器主要面向工业、监控、汽车电子等行业。
工业应用
优势：芯片生命周期长、性能稳定、具备为环境苛刻的应用，如军事、航空航天、工业和汽车系统等提供的工业级至汽车级的产品。值得一提的是飞思卡尔在汽车电子领域占据了70%的行业份额，被称为汽车电子中的“英特尔公司”。基于汽车行业自身特点，飞思卡尔芯片的温宽、稳定性和8-10年的生命周期都非常适合工业方向的应用。
劣势：1、芯片成本较高，开发难度较大。
2、原厂推荐周边芯片均为欧美芯片，采购难度大。一般需要通过国内的飞思卡尔第三方独立设计公司（IDH）协助，完成本土化工作。
3、飞思卡尔技术支持力量主要针对一线客户即国际化大公司如微软、博世等，国内公司很难从原厂获得必要的支持，也需要通过第三方公司协助。
飞思卡尔i.MX系列嵌入式处理器，见下表。
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飞思卡尔i.MX 系列处理器 |
应用方向 |
芯片特点 |
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ARM 9 |
i.MX21 |
手机和PDA等手持式移动便携设备。 |
主频266MHZ，支持实时MPEG4和H.263编解码，每秒传输30帧CIF或QVGA图像；马赛克平滑过滤(de-block)、de-ring等。 |
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i.MX23 |
电子书、便携媒体播放器（PMP）和简单人机界面（HMI）系统。 |
主频454M Hz，集成一流的模拟和混合信号技术。支持24位VGA显示器的图像处理单元，支持丰富的用户界面。低功耗，提供内存卡扩展功能和包括WiFi和Bluetooth无线连接标准。 |
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i.MX25 |
车内信息娱乐系统、工业安全、住宅智能电表、条形码扫描仪等。 |
主频400MHz，片内集成CSI接口。拥有16K的指令缓存和16K数据缓存，128KB SRAM和2KB 加密ROM，并且集成了LCD和SLCD控制器，CMOS sensor输入接口, 2个CAN接口等。 |
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i.MX27 |
楼宇对讲、视频监控、广告机、网络摄像机、可视电话、导航设备等 |
主频400MHz，特点是H.264硬件双向编解码，编解码不占CPU资源。MPEG-4 硬件编解码支持D1的分辨率。电源管理系统，网络传输控制，强大的图形处理以及丰富的外设。 |
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i.MX28 |
人机界面、工控显示、手持扫描仪、电子POS终端、智能网关、智能仪表等 |
o 主频454MHz，12位8通道ADC，2个I2C接口，6个串口，2以个以太网接口，2个CAN接口，4个SD/MMC接口。4个定时器，6个PWM输出。3.3伏引脚I/O支持，可减少PCB和制造成本的0.8mm间距封装，适用于恶劣环境的扩展温度范围。 |
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ARM 11 |
i.MX31 |
工业，汽车，医疗和一般嵌入式设备。全球第一款经过认证的汽车级芯片。 |
主频532MHz，采用90纳米制程技术，128K的L2-Cache高速缓存DDR SDRAM：256Mb内置3D图形硬件加速器，不占CPU资源。H.264的软件编解码，优秀的语音识别系统，Smart Speed增强技术的高效电源管理系统，外设接口丰富。 |
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i.MX35 |
汽车电子、工业控制、工厂自动化、建筑控制、智能家居、GPS、PND以及eBook电子书、医疗系统等 |
主频532MHz，集成了OpenVG 2D矢量图图形加速器，对Adobe Flash、PDF文件及GPS地图显示加速支持。丰富的控制和多媒体外设接口，将车身控制和多媒体高效的整合到一个中控平台上。Can Bus*2、UART（3+2）、USB（With Phy）、FEC、SD/SDIO等，多媒体——MediaLB（外接MOST网络）、S/PDIF(高清音频接口)、ESAI可接5.1通道音响 四路TV In（倒车后视及车载DVD等） |
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i.MX37 |
工业控制、手持MID、移动数字电视等。（已停产） |
主频532MHz，L2高速缓存,Jazelle Java加速矢量浮点协处理器(VFP)。多格式视频解码硬件加速,24位显示支持XGA分辨率,图像与视频缩放、倒置与旋转硬件,解块、去鸣振、alpha混合与色域转换,PAL/NTSC组件、S-视频输出。多个独立电源定域,动态电压与频率调节,专有功率门限。 |
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Cortex A8 |
i.MX51 |
平板电脑、显示系统、工业控制、多媒体播放器、 |
主频800MHz，支持VGA，DVI，WVGA等多种显示方式；支持h.264、Mpeg-4、Mpeg-2等多种720P高清解码和h.264等多格式D1编码;支持I2C,SPI,URAT等多种接口. 支持Linux-2.6.31，WinCE6.0，Android 2.2，Ubuntu 9.10操作系统 |
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i.MX53 |
高清视频播放、高端游戏机、车载娱乐系统、MID移动设备、多媒体智能终端、智能家居、医疗设备等。 |
主频1GHz，集成32K的指令缓存和256K数据缓存，集成高清1080p多媒体编解码单元，双路CSI摄像头接口、双路LVDS接口、VGA接口、双路CAN、并行RGB888接口，12位8通道ADC，2个I2C接口，DDR3高速内存接口等。支持1080p多标准视频回放。 |
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Cortex A9 |
i.M6X |
交通系统导航和娱乐，高端移动网络设备和高端PDA应用，工业信息终端及云计算领域，带SATA硬盘的高端便携式多媒体播放器，室外高端广告设备或游戏终端，高端图像采集和处理等 |
主频1.2GHz，该系列分为单核、双核与四核三个类型。其中的四核心处理器支持高达4个ARM Cortex A9核心，每一个核心的速度可以高达1.2GHz，2GByte的总线频率1.2GHz的DDRIII。支持高分辨率高速MIPI接口，CAN接口，千兆以太网等业界新标准；支持光线传感器，三轴加速度传感器，电子罗盘等传感器接口；支持1080p编解码；支持Android4.0操作系统，是目前工业行业最高端最前沿的开发平台。 |
德州仪器（TI）OMAP系列ARM处理器
公司简介
德州仪器（英语：Texas Instruments，简称：TI），是世界上最大的模拟电路技术部件制造商，全球领先的半导体跨国公司，总部位于美国德克萨斯州的达拉斯。德州仪器的历史可以追溯到1930年，以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世，主要从事创新型数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售。除半导体业务外，还提供包括传感与控制、教育产品和数字光源处理解决方案。
ARM系列
TI 所生产ARM 解决方案的数量超过其他任何制造商，始终稳居ARM 型产品头号供应商的地位。TI 整个微控制器(MCU) 和微处理器(MPU) 产品系列拥有近1,000 种极具差异化功能的ARM 器件。TI 其它基于ARM 的解决方案包括应用极广的OMAP移动应用处理器、达芬奇(DaVinci) 数字媒体处理器，以及Integra DSP+ARM处理器等。
工业应用
2012年底由于智能手机和平板电脑芯片市场上的失利，TI宣布开始将处理器重心转向工业、汽车电子等领域，更加专注于具有较长生命周期的嵌入式应用上，这无疑对智能工业嵌入式处理器发展是一个利好消息。
TI面向工业、军用领域主要是Sitara系列嵌入式处理器，见下表。
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TI Sitara系列 |
CPU MHz |
L1P |
L1D |
L2 |
RAM |
Memory |
Peripherals |
Max LCD |
GPIO |
|
|
AM1705 |
ARM9 |
450 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM |
I2C,SPI,UARTUSB, MMC/ SDIO, EMAC |
- |
128 |
|
AM1707 |
450 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM |
I2C,SPI,UARTUSBMMC/SDIO, EMAC |
1,024 × 1,024 |
128 |
|
|
AM1802 |
300 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM/LPDDR1/ DDR2 |
I2C,SPI,UARTUSMMC/SDIO |
- |
144 |
|
|
AM1806 |
450 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM/ LPDDR1/ DDR2 |
I2C,SPI,UARTUSBMMC/SDIO, |
1,024 × 1,024 |
144 |
|
|
AM1808 |
450 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM/ LPDDR1/ DDR2 |
IC,SPI/UART/ USBMMC/SDIO, EMAC/SATA |
1,024 × 1,024 |
144 |
|
|
AM1810 |
375 |
16 |
16 |
- |
128 K |
SDRAM/ LPDDR1/ DDR2 |
IC/SPI/UART/ USB/MMC/SDIO, EMAC/SATA |
- |
144 |
|
|
AM3505 |
Cortex A8 |
600 |
16 |
16 |
256 K |
64 K |
LPDDR1/ DDR2 |
IC,SPI,UART/ USB/MMC/SDIO, EMAC/CAN |
2,048 × 2,048 |
186 |
|
AM3517 |
600 |
32 |
32 |
256 K |
64 K |
LPDDR1/ DDR2 |
IC/SPI/UART USB/MMC/SDIO, EMAC/CAN |
2,048 × 2,048 |
186 |
|
|
AM3703 |
1,000 |
32 |
32 |
256 K |
64 K |
LPDDR1 |
I2C/SPI/UART USB/MMC/SDIO |
2,048 × 2,048 |
188 |
|
|
AM3715 |
1,000 |
32 |
32 |
256 K |
64 K |
LPDDR1 |
I2C/SPI/UART USB/MMC/SDIO |
2,048 × 2,048 |
188 |
|
|
AM3892 |
1,500 |
32 |
32 |
256 K |
512K |
DDR2/3 |
PCIe/SATA/ EMAC/UART/ USB |
1,920 × 1,080 |
64 |
|
|
AM3894 |
1,500 |
32 |
32 |
256 K |
512K |
DDR2/3 |
PCIe/SATA/ Gigabit-EMAC/UART/ USB |
1,920 × 1,080 |
64 |
|
可以预见，随着智能工业化的快速推进，以ARM智能工业嵌入式处理器为代表的智能工业嵌入式系统在不远的将来必会得到广泛应用。鉴于现阶段优秀的ARM智能工业嵌入式处理器都由国外公司提供，国内的研发公司和机构在选型、采购、沟通、对接、技术支持和完成项目本地化方面，会遇到方方面面的困难，而有些困难仅靠自身难以解决。为此建议通过国内的第三方独立设计公司（IDH）协助解决。这些独立设计公司多集中在北京、上海、深圳等国内科技前沿城市。其中一些公司如飞思卡尔系的辰汉电子和TI系的合众达等有原厂背景，公司骨干成员曾在相关外企技术部门任职，这些公司经过多年的经营，具备稳定的供货渠道与足够的技术储备，可以协助国内研发公司与机构解决研发不同阶段中遇到的一些问题，避免多走弯路。在此，预祝我国智能工业革命成功！