32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型(1)

zhoujunyi

上海交通大学电机系(200030)　周洁　杨心怀   
    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，ARM946T， ARM966T，ARM10TDM1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 Mucleus、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SAA7550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[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>