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32位RISC CPU ARM芯片的应用和选型
[正文]:关键词：arm mmu soc risc cpu1 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。
表1 内置存储器的arm芯片 芯片型号供应商flash容量rom容量sram容量at91f40162atmel2m bytes256k bytes4k bytesat91fr4081atmel1m bytes128k bytessaa7750philips384k bytes64k bytespuc3030amicronas256k bytes56k byteshms30c7202hynix192k bytesml67q4001oki256k byteslc67f500snayo640k bytes32k1.4 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。
表2 内置usb控制器的arm芯片 芯片型号arm内核供应商usb slaveusb hostiis接口s3c2410arm920tsamsung121s3c2400arm920tsamsung121s5n8946arm7tdmisamsung100l7205arm720tlinkup110l7210arm720tlinkup110ep9312arm920tcirrus logic031dragonball mx1arm920tmotorola101saa7750arm720tphilips101tms320dsc2xarm7tdmiti100puc3030aarm7tdmimicronas105aaec-2000arm920tagilent100ml67100arm7tdmioki100ml7051laarm7tdmioki100sa-1100strongarmintel100lh79531arm7tdmisharp100gms320c7201arm720thynix1011.5 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。
表3 arm+dsp结构的arm芯片 芯片型号供应商dsp coredsp mips应用tms320dsc2xti16bits c5000500digital cameradragonball mx1motorola24bits 56000cd-mp3saa7750philips24bits epic73cd-mp3vws22100philips16bits oak52gsmstlc1502std950voipgms30c3201hynix16bits piccolostbat75c220atmel16bits oak40iaat75c310atmel16bits oak40x2iaat75c320atmel16bits oak60x2ial7205linkup16bits piccolowirelessl7210linkup16bits piccolowirelessquatrooak16bits oakdigital image1.16 内置fpga 有些arm芯片内置有fpga，适合于通讯等领域。
见表4。
表4 arm+fpga结构的arm芯片 芯片型号供应商arm芯核fpga门数引脚数epxa1alteraarm922t100k484epxa4alteraarm922t400k672epxa10alteraarm922t1000k1020ta7s20系列triscendarm7tdmi多种多种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、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。
表5 主要arm芯片供应商及其代表性产品和主要应用领域 供应商芯片1芯片2芯片3芯片4主要应用intelsa-110sa-1100sa-1110ixp1200palm pc, networktitms320dsc21tms320dsc24tms320dsc25omap1510digital camerasamsungs3c44b0xs3c2410s3c4510s5n8946adsl,pdamotoroladragonball mx1 bt,pdaphilipssaa7750vws22100vcs94250vws26001mp3,gsm ,3g,btcirrus logicep7209ep7212ep7312ep9312gp,mp3linkupl7200l7205l7210wirelessatmelat91r40xxxat75c310at76c901at76c502gp, wirelessokiml67100ml7051laml67q4000ml67q2300gp,btsharplh75400/1lh79520lh79520lh79531/2/3lh7a400portable handheldqualcommmsp1000msm3000msm5000msm6000cdmaststlc1502stw2400 voip,btinfineonpmb7754 btanalogad20msp430 gsmhynixgms30c7201hms30c7202hms39c7092stb,gpmicronaspuc3030a gp, mp3conexantcn9414cx82100 network, modemagilentaaec-2000 iaportalplayerpp5002 mp3, pdanecupd65977 configurablenetsiliconnet+15net+40net+50pda, phonelsi logiccbp3.0cbp4.0l64324btalcatelmtc20276mtk20141mtk20285mtc20277digital imagealteraepxa1epxa4epxa10configurablepanasonicmn1a7t0200 pda,phonesilicon wavesiw1750 btoakquatro digital imagerohmbu6611aku isdnparthusinfosream wireless internetintersilisl3856 802.11b, wlansirfsirf star ii gpssiriuscdmaxdirac 3g cdmasanyovol101 cd-r, hdcvirataheliumhelium 200helium 210lithiumcommunicationsageret8300t8302 mobile phone表6 最佳应用方案推荐 应用第一选择方案第二方案注释高档pdas3c2410dragon ball mx1便携式cdmp3播放器saa7750usb和cd-rom解码器flash mp3播放器saa7750puc3030a内置usb和flashwlan和bt应用产品l7205，l7210dragon ball mx1高速串口和pcmcia接口voice over ipstlc1502 数字式照相机tms320dsc24tms320dsc21内置高速图像处理dsp便携式语音email机at75c320at75c310内置双dsp，可以分别处理modem和语音gsm手机vws22100ad20msp430专为gsm手机开发adsl modems5n8946mtk-20141电视机顶盒gms30c3201vga控制器3g移动电话机msm6000omap151010g光纤通信minspeed公司系列arm芯片多arm核+多dsp核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。
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