ARM晶元

ARM公司自1990年正式成立以來, 在32位RISC (Reduced Instruction Set Computer CPU)開發領域不斷取得突破，其結構已經從V3發展到V7。由於ARM公司自成立以來，一直以IP(Intelligence Property)提供者的身份向各大半導體製造商出售知識產權，而自己從不介入晶元的生產銷售，加上其設計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優點，因此獲得眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，已經佔有75%以上的32位RISC嵌入式產品市場。在低功耗、低成本的嵌入式應用領域確立了市場領導地位。設計、生產ARM晶元的國際大公司已經超過50多家，國內中興通訊和華為通訊等公司也已經購買ARM公司的芯核用於通訊專用晶元的設計。

非常流行的ARM芯核有 ARM7TDMI, StrongARM, ARM720T, ARM9TDMI, ARM922T, ARM940T, RM946T, ARM966T, ARM10TDM1等。自V5以後,ARM公司提供Piccolo DSP的芯核給晶元設計者，用於設計ARM+DSP 的SOC (System On Chip) 結構的晶元。此外,ARM晶元還獲得了許多實時操作系統(Real Time Operating System)供應商的支持，比較知名的有：Windows CE、Linux、pSOS、VxWorks Mucleus、EPOC、uCOS、BeOS等。隨著國內嵌入式應用領域的發展,ARM晶元必然會獲得廣泛的重視和應用。但是，由於ARM晶元有多達十幾種的芯核結構,70多家晶元生產廠家，以及千變萬化的內部功能配置組合，給開發人員在選擇方案時帶來一定的困難。所以，對ARM晶元做一對比研究是十分必要的。

從應用的角度，對在選擇ARM晶元時所應考慮的主要因素做一詳細的說明。

如果希望使用WinCE或Linux等操作系統以減少軟體開發時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(memory management unit)功能的ARM晶元,ARM720T、StrongARM、ARM920T、ARM922T、ARM946T都帶有MMU功能。而ARM7TDMI沒有MMU,不支持Windows CE和大部分的Linux, 但目前有uCLinux等少數幾種Linux不需要MMU的支持。

系統時鐘決定了ARM晶元的處理速度。ARM7的處理速度為0.9MIPS/MHz,常見的ARM7晶元系統主時鐘20MHz-133MHz,ARM9的處理速度為1.1MIPS/MHz,常見的ARM9的系統主時鐘為100MHz-233MHz, ARM10最高可以達到700MHz。不同晶元對時鐘的處理不同，有的晶元只有一個主時鐘頻率，這樣的晶元可能不能同時顧及UART和音頻時鐘的準確性，如Cirrus Logic的EP7312等；有的晶元內部時鐘控制器可以分別為CPU核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘，如PHILIPS公司的SAA7550等晶元。

在不需要大容量存儲器時，可以考慮選用有內置存儲器的ARM晶元。見表1。

表1　內置存儲器的ARM晶元

晶元型號 供應商 FLASH容量 ROM容量 SRAM容量

AT91F40162 ATMEL 2M Bytes 256K bytes 4K Bytes

AT91FR4081 ATMEL 1M Bytes 128K Bytes

SAA7750 Philips 384K Bytes 64K bytes

PUC3030A Micronas 256K Bytes 56K bytes

HMS30C7202 Hynix 192K Bytes

LC67F500 Snayo 640K Bytes 32K

許多ARM晶元內置有USB控制器，有些晶元甚至同時有USB Host和USB Slave控制器。見表2。

表2　內置USB控制器的ARM晶元

晶元型號 ARM內核 供應商 USB Slave USB Host IIS介面

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 Philips 1 0 1

TMS320DSC2x ARM7TDMI TI 1 0 0

PUC3030A ARM7TDMI Micronas 1 0 5

AAEC-2000 ARM920T Agilent 1 0 0

ML67100 ARM7TDMI OKI 1 0 0

ML7051LA ARM7TDMI OKI 1 0 0

SA-1100 StrongARM Intel 1 0 0

LH79531 ARM7TDMI Sharp 1 0 0

GMS320C7201 ARM720T Hynix 1 0 1

在某些晶元供應商提供的說明書中，往往申明的是最大可能的GPIO數量，但是有許多引腳是和地址線、數據線、串口線等引腳復用的。這樣在系統設計時需要計算實際可以使用的GPIO數量。

ARM內核只提供快速中斷(FIQ)和標準中斷(IRQ)兩個中斷向量。但各個半導體廠家在設計晶元時加入了自己不同的中斷控制器，以便支持諸如串列口、外部中斷、時鐘中斷等硬體中斷。外部中斷控制是選擇晶元必須考慮的重要因素，合理的外部中斷設計可以很大程度的減少任務調度的工作量。例如PHILIPS公司的SAA7750,所有GPIO都可以設置成FIQ或IRQ,並且可以選擇上升沿、下降沿、高電平、低電平四種中斷方式。這使得紅外線遙控接收、指輪盤和鍵盤等任務都可以作為背景程序運行。而Cirrus Logic公司的EP7312晶元，只有4個外部中斷源，並且每個中斷源都只能是低電平或者高電平中斷，這樣在用於接收紅外線信號的場合時，就必須用查詢方式，會浪費大量的CPU時間。

IIS(Integrate Interface of Sound)介面即集成音頻介面。如果設計音頻應用產品,IIS 匯流排介面是必需的。

外部匯流排速度控制信號。不是每個ARM晶元都提供這個信號引腳，利用這個信號與廉價的GAL晶元就可以實現與符合PCMCI標準的WLAN卡和Bluetooth卡的介面，而不需要外加高成本的PCMCIA專用控制晶元。另外，當需要擴展外部DSP 協處理器時，此信號也是必需的。

很多ARM晶元都提供實時時鐘功能，但方式不同。如Cirrus Logic公司的EP7312的RTC只是一個32位計數器，需要通過軟體計算出年月日時分秒；而SAA7750和S3C2410等晶元的RTC直接提供年月日時分秒格式。

有些ARM晶元內置LCD控制器，有的甚至內置64K彩色TFT LCD控制器。在設計PDA和手持式顯示記錄設備時，選用內置LCD控制器的ARM晶元如S3C2410較為適宜。

有些ARM晶元有2~8路PWM輸出，可以用於電機控制或語音輸出等場合。

有些ARM晶元內置2~8通道8~12位通用ADC,可以用於電池檢測、觸摸屏和溫度監測等。PHILIPS的SAA7750更是內置了一個16位立體聲音頻ADC和DAC,並且帶耳機驅動。

大部分ARM晶元具有外部SDRAM和SRAM擴展介面，不同的ARM晶元可以擴展的晶元數量即片選線數

量不同，外部數據匯流排有8位、16位或32位。某些特殊應用的ARM晶元如德國Micronas的

PUC3030A沒有外部擴展功能。

幾乎所有的ARM晶元都具有1~2個UART介面，可以用於和PC機通訊或用Angel 進行調試。一般的ARM晶元通訊波特率為115,200bps,少數專為藍牙技術應用設計的ARM晶元的UART通訊波特率可以達到920Kbps,如Linkup 公司的L7205。

表3 ARM+DSP結構的ARM晶元

晶元型號 應商 DSP core DSP MIPS 應用

TMS320DSC2X TI 16bits C5000 500 Digital Camera

Dragonball MX1 Motorola 24bits 56000 CD-MP3

SAA7750 Philips 24bits EPIC 73 CD-MP3

VWS22100 Philips 16bits OAK 52 GSM

STLC1502 ST D950 VOIP

GMS30C3201 Hynix 16bits Piccolo STB

AT75C220 ATMEL 16bits OAK 40 IA

AT75C310 ATMEL 16bits OAK 40x2 IA

AT75C320 ATMEL 16bits OAK 60X2 IA

L7205 Linkup 16bits Piccolo Wireless

L7210 Linkup 16bits Piccolo wireless

Quatro OAK 16bits OAK Digital Image

有些ARM晶元內置有FPGA,適合於通訊等領域。見表4。

表4 ARM+FPGA結構的ARM晶元

晶元型號 供應商 ARM芯核 FPGA門數 引腳數

EPXA1 Altera ARM922T 100K 484

EPXA4 Altera ARM922T 400K 672

EPXA10 Altera ARM922T 1000K 1020

TA7S20系列 Triscend ARM7TDMI 多種 多種

一般ARM晶元都具有2~4個16位或32位時鐘計數器和一個看門狗計數器。

ARM晶元的耗電量與工作頻率成正比，一般ARM晶元都有低功耗模式、睡眠模式和關閉模式。

有些ARM晶元內部集成有DMA(Direct Memory Access)?可以和硬碟等外部設備高速交換數據，同時減少數據交換時對CPU資源的佔用。另外，還可以選擇的內部功能部件有：HDLC, SDLC,CD-ROMDecoder,Ethernet MAC,VGA controller, DC-DC。可以選擇的內置介面有：IIC,SPDIF,CAN,SPI,PCI,PCMCIA。最後需說明的是封裝問題。ARM晶元主要的封裝有QFP、TQFP、PQFP、LQFP、BGA、LBGA等形式,BGA封裝具有晶元面積小的特點，可以減少PCB板的面積，但是需要專用的焊接設備，無法手工焊接。另外一般BGA封裝的ARM晶元無法用雙面板完成PCB布線，需要多層PCB板布線。

為了增強多任務處理能力、數學運算能力、多媒體以及網路處理能力，某些供應商提供的ARM晶元內置多個芯核，常見的有ARM+DSP,ARM+FPGA,ARM+ARM等結構。

ARM+ARM

為了增強多任務處理能力和多媒體處理能力，某些ARM晶元內置多個ARM芯核。例如Portal player 公司的PP5002 內部集成了兩個ARM7TDMI 芯核，可以應用於攜帶型MP3播放器的編碼器或解碼器。從科勝訊公司(Conexant)分離出去的專門致力於高速通訊晶元設計生產的MinSpeed公司就在其多款高速通訊晶元中集成了2~4個ARM7TDMI內核。

ARM+DSP

為了增強數學運算功能和多媒體處理功能，許多供應商在其ARM晶元內增加了DSP協處理器。通常加入的DSP芯核有ARM公司的Piccolo DSP芯核、OAK公司16位定點DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核、Motorola的56K DSP芯核等。見表3。

ARM+FPGA

為了提高系統硬體的在線升級能力，某些公司在ARM晶元內部集成了FPGA。見表4。