ARM芯片是ARM公司研发的芯片。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。

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V7。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,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。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。

非常流行的ARM芯核有 ARM7TDMI, StrongARM, ARM720T, ARM9TDMI, ARM922T, ARM940T, RM946T, 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。

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。

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, 但有uCLinux等少数几种Linux不需要MMU的支持。

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。

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

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

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 Slave USB Host IIS接口

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。

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。

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。

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PCMCI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。

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。

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S3C2410较为适宜。

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。

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。

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。

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。

表3 ARM+DSP结构的ARM芯片

芯片型号 应商 DSP core DSP MIPS 应用

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

EPXA1 Altera ARM922T 100K 484

EPXA4 Altera ARM922T 400K 672

EPXA10 Altera ARM922T 1000K 1020

TA7S20系列 Triscend ARM7TDMI 多种 多种

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。

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。

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-ROMDecoder,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。

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,常见的有ARM+DSP,ARM+FPGA,ARM+ARM等结构。

ARM+ARM

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。

ARM+DSP

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。

ARM+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。