ARM系列微處理器簡(jiǎn)介之：ARM芯片的特點(diǎn)與選型

1.5  ARM芯片的特點(diǎn)與選型

1.5.1  不同系列處理器間的比較

表1.3顯示了ARM7、ARM9、ARM10及ARM11內(nèi)核之間屬性的比較。有些屬性依賴于生產(chǎn)過(guò)程和工藝，具體芯片需參閱其芯片手冊(cè)。

表1.3 ARM系列處理器屬性比較

表1.4總結(jié)了各種處理器的不同功能。

表1.4 ARM處理器不同功能特性

1.5.2  ARM芯片的選型

隨著國(guó)內(nèi)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，ARM芯片必然會(huì)獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是由于ARM芯片有多達(dá)十幾種的芯核結(jié)構(gòu)、70多芯片生產(chǎn)廠家以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合，開(kāi)發(fā)人員在選擇方案時(shí)會(huì)有一定的困難。所以對(duì)ARM芯片做對(duì)比研究是十分必要的。

1．ARM芯片選擇的一般原則

從應(yīng)用角度看，在選擇ARM芯片時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。

（1）ARM芯核

如果希望使用Windows CE或Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片，ARM720T、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都帶有MMU功能。而ARM7TDMI沒(méi)有MMU，不支持Windows CE和大部分的Linux；但目前有uCLinux等少數(shù)幾種Linux不需要MMU的支持。

（2）系統(tǒng)時(shí)鐘控制器

系統(tǒng)時(shí)鐘決定了ARM芯片的處理速度。ARM7的處理速度為0.97MIPS/MHz，常見(jiàn)的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘為20～133MHz，ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz，常見(jiàn)的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘為100～233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。不同芯片對(duì)時(shí)鐘的處理不同，有的芯片只有一個(gè)主時(shí)鐘頻率，這樣的芯片可能不能同時(shí)顧及UART和音頻時(shí)鐘準(zhǔn)確性，如Cirrus Logic的EP7312等；有的芯片內(nèi)部時(shí)鐘控制器可以分別為CPU核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供同頻率的時(shí)鐘，如PHILIPS公司SAA7750等芯片。

（3）內(nèi)部存儲(chǔ)器容量

在不需要大容量存儲(chǔ)器時(shí)，可以考慮選用有內(nèi)置存儲(chǔ)器的ARM芯片。表1.5列出了內(nèi)置存儲(chǔ)器的ARM芯片。

表1.5 內(nèi)置存儲(chǔ)器的ARM芯片

（4）USB接口

許多ARM芯片內(nèi)置有USB控制器，有些芯片甚至同時(shí)有USB Host和USB Slave控制器。表1.6顯示了內(nèi)置USB控制器的ARM芯片。

表1.6 內(nèi)置USB控制器的ARM芯片

續(xù)表

（5）GPIO數(shù)量

在某些芯片供應(yīng)商提供的說(shuō)明書中，往往申明的是最大可能的GPIO數(shù)量，但是有許多引腳是和地址線、數(shù)據(jù)線、串口線等引腳復(fù)用的。這樣在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算實(shí)際可以使用的GPIO數(shù)量。

（6）中斷控制器

ARM內(nèi)核只提供快速中斷（FIQ）和標(biāo)準(zhǔn)中斷（IRQ）兩個(gè)中斷向量。但各個(gè)半導(dǎo)體廠家在設(shè)計(jì)芯片時(shí)加入了自己定義的中斷控制器，以便支持諸如串行口、外部中斷、時(shí)鐘中斷等硬件中斷。外部中斷控制是選擇芯片必須考慮的重要因素，合理的外部中斷設(shè)計(jì)可以很大程度地減少任務(wù)調(diào)度工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750，所有GPIO都可以設(shè)置成FIQ或IRQ，并且可以選擇上升沿、下降沿、高電平和低電平4種中斷方式。這使得紅外線遙控接收、指輪盤和鍵盤等任務(wù)都可以作為背景程序運(yùn)行。而Cirrus Logic公司的EP7312芯片只有4個(gè)外部中斷源，并且每個(gè)中斷源都只能是低電平或高電平中斷，這樣在接收紅外線信號(hào)的場(chǎng)合必須用查詢方式，浪費(fèi)大量CPU時(shí)間。

（7）IIS（Integrate Interface of Sound）接口

即集成音頻接口。如果設(shè)計(jì)音頻應(yīng)用產(chǎn)品，IIS總線接口是必需的。

（8）nWAIT信號(hào)

這是一個(gè)外部總線速度控制信號(hào)。不是每個(gè)ARM芯片都提供這個(gè)信號(hào)引腳，利用這個(gè)信號(hào)與廉價(jià)的GAL芯片就可以實(shí)現(xiàn)與符合PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)的WLAN卡和Bluetooth卡的接口，而不需要外加高成本的PCMCIA專用控制芯片。另外，當(dāng)需要擴(kuò)展外部DSP協(xié)處理器時(shí)，此信號(hào)也是必需的。

（9）RTC（Real Time Clock）

很多ARM芯片都提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，但方式不同。如Cirrus Logic公司的EP7312的RTC只是一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，需要通過(guò)軟件計(jì)算出年月日時(shí)分秒；而SAA7750和S3C2410等芯片的RTC直接提供年月日時(shí)分秒格式。

（10）LCD控制器

有些ARM芯片內(nèi)置LCD控制器，有的甚至內(nèi)置64KB彩色TFT LCD控制器。在設(shè)計(jì)PDA和手持式顯示記錄設(shè)備時(shí)，選用內(nèi)置LCD控制器的ARM芯片（如S3C2410）較為適宜。

（11）PWM輸出

有些ARM芯片有2～8路PWM輸出，可以用于電機(jī)控制或語(yǔ)音輸出等場(chǎng)合。

（12）ADC和DAC

有些ARM芯片內(nèi)置2～8通道8～12位通用ADC，可以用于電池檢測(cè)、觸摸屏和溫度監(jiān)測(cè)等。PHILIPS的SAA7750更是內(nèi)置了一個(gè)16位立體聲音頻ADC和DAC，并且?guī)Ф鷻C(jī)驅(qū)動(dòng)。

（13）擴(kuò)展總線

大部分ARM芯片具有外部SDRAM和SRAM擴(kuò)展接口，不同的ARM芯片可以擴(kuò)展的芯片數(shù)量即片選線數(shù)量不同，外部數(shù)據(jù)總線有8位、16位或32位。為某些特殊應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM芯片（如德國(guó)Micronas的PUC3030A）沒(méi)有外部擴(kuò)展功能。

（14）UART和IrDA

幾乎所有的ARM芯片都具有1～2個(gè)UART接口，可以用于和PC機(jī)通信或用Angel進(jìn)行調(diào)試。一般的ARM芯片通信波特率為115200bit/s，少數(shù)專為藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM芯片的UART通信波特率可以達(dá)到920kbit/s，如Linkup公司L7205。

（15）DSP協(xié)處理器

表1.7總結(jié)了ARM+DSP結(jié)構(gòu)的ARM芯片。

表1.7 ARM+DSP結(jié)構(gòu)的ARM芯片

（16）內(nèi)置FPGA

有些ARM芯片內(nèi)置有FPGA，適合于通信等領(lǐng)域。表1.8總結(jié)了ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的ARM芯片。

表1.8 ARM+FPGA結(jié)構(gòu)的ARM芯片

（17）時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和看門狗

一般ARM芯片都具有2～4個(gè)16位或32位時(shí)鐘計(jì)數(shù)器和一個(gè)看門狗計(jì)數(shù)器。

（18）電源管理功能

ARM芯片的耗電量與工作頻率成正比，一般ARM芯片都有低功耗模式、睡眠模式和關(guān)閉模式。

（19）DMA控制器

有些ARM芯片內(nèi)部集成有DMA（Direct Memory Access）接口，可以和硬盤等外部設(shè)備高速交換數(shù)據(jù)，同時(shí)減少數(shù)據(jù)交換時(shí)對(duì)CPU資源的占用。

另外，還可以選擇的內(nèi)部功能部件有：HDLC、SDLC、CD-ROM Decoder、Ethernet MAC、VGA controller、DC-DC。可以選擇的內(nèi)置接口有：IIC、SPDIF、CAN、SPI、PCI、PCMCIA。

最后需說(shuō)明的是封裝問(wèn)題。ARM芯片現(xiàn)在主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式，BGA封裝具有芯片面積小的特點(diǎn)，可以減少PCB板的面積，但是需要專用的焊接設(shè)備，無(wú)法手工焊接。另外一般BGA封裝的ARM芯片無(wú)法用雙面板完成PCB布線，需要多層PCB板布線。

2．多芯核結(jié)構(gòu)ARM芯片的選擇

為了增強(qiáng)多任務(wù)處理能力、數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、多媒體以及網(wǎng)絡(luò)處理能力，某些供應(yīng)商提供的ARM芯片內(nèi)置多個(gè)芯核，目前常見(jiàn)的ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等結(jié)構(gòu)。

（1）多ARM芯核

為了增強(qiáng)多任務(wù)處理能力和多媒體處理能力，某些ARM芯片內(nèi)置多個(gè)ARM芯核。例如Portal player公司的PP5002內(nèi)部集成了兩個(gè)ARM7TDMI芯核，可以應(yīng)用于便攜式MP3播放器的編碼器或解碼器。從科勝訊公司（Conexant）分離出來(lái)的專門致力于高速通信芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MinSpeed公司在其多款高速通信芯片中集成了2～4個(gè)ARM7TDMI內(nèi)核。

（2）ARM芯核+DSP芯核

為了增強(qiáng)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和多媒體處理功能，許多供應(yīng)商在其ARM芯片內(nèi)增加了DSP協(xié)處理器。通常加入的DSP芯核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定點(diǎn)DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核和Motorola的56K DSP芯核等。見(jiàn)表1.7。

（3）ARM芯核+FPGA

為了提高系統(tǒng)硬件的在線升級(jí)能力，某些公司在ARM芯片內(nèi)部集成了FPGA。見(jiàn)表1.8。

3．選擇方案舉例

表1.9列舉的最佳方案僅供參考，由于SoC集成電路的發(fā)展非常迅速，今天的最佳方案到明天就可能不是最佳的了。因此任何時(shí)候在選擇方案時(shí)，都應(yīng)廣泛搜尋一下主要的ARM芯片供應(yīng)商，以找出最適合的芯片。

表1.9 最佳應(yīng)用方案推薦

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