ARM系列微处理器简介之：ARM芯片的特点与选型

表1.3显示了ARM7、ARM9、ARM10及ARM11内核之间属性的比较。有些属性依赖于生产过程和工艺，具体芯片需参阅其芯片手册。

表1.3 ARM系列处理器属性比较

项目

ARM7

ARM9

ARM10

ARM11

流水线深度

3级

5级

6级

8级

典型频率（MHz）

80

150

260

335

功耗（mw/MHz）

0.06

0.19（+Cache）

0.5（+Cache）

0.4（+Cache）

MIPS/MHz

0.97

1.1

1.3

1.2

架构

冯·诺伊曼

哈佛

哈佛

哈佛

乘法器

8×32

8×32

16×32

16×32

表1.4总结了各种处理器的不同功能。

表1.4 ARM处理器不同功能特性

CPU核

MMU/MPU

Cache

Jazelle

Thumb

指令集

E

ARM7TDMI

无

无

否

是

v4T

否

ARM7EJ-S

无

无

是

是

v5TEJ

是

ARM720T

MMU

统一8KBCache

否

是

v4T

否

ARM920T

MMU

独立16KB指令和数据Cache

否

是

v4T

否

ARM922T

MMU

独立8KB指令和数据Cache

否

是

v4T

否

ARM926EJ-S

MMU

Cache和TCM可配置

是

是

v5TEJ

是

ARM940T

MPU

独立4KB指令和数据Cache

否

是

v4T

否

ARM946E-S

MPU

Cache和TCM可配置

否

是

v5TE

是

ARM966E-S

无

Cache和TCM可配置

否

是

v5TE

是

ARM1020E

MMU

独立32KB指令和数据Cache

否

是

v5TE

是

ARM1022E

MMU

独立16KB指令和数据Cache

否

是

v5TE

是

ARM1026EJ-S

MMU

Cache和TCM可配置

是

是

v5TE

是

ARM1036J-S

MMU

Cache和TCM可配置

是

是

v6

是

ARM1136JF-S

MMU

Cache和TCM可配置

是

是

v6

是

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多芯片生产厂家以及千变万化的内部功能配置组合，开发人员在选择方案时会有一定的困难。所以对ARM芯片做对比研究是十分必要的。

从应用角度看，在选择ARM芯片时应从以下几个方面考虑。

（1）ARM芯核

如果希望使用WindowsCE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（MemoryManagementUnit）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WindowsCE和大部分的Linux；但目前有uCLinux等少数几种Linux不需要MMU的支持。

（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0.97MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20～133MHz，ARM9的处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟为100～233MHz，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和音频时钟准确性，如CirrusLogic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同频率的时钟，如PHILIPS公司SAA7750等芯片。

（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。表1.5列出了内置存储器的ARM芯片。

表1.5 内置存储器的ARM芯片

芯片型号

供应商

Flash容量

ROM容量

SDAM容量

AT91F40162

ATMEL

2MB

256KB

4KB

AT91FR4081

ATMEL

1MB

128KB

SAA7750

Philips

384KB

64KB

PUC3030A

Micornas

256KB

56KB

HMS30C7272

Hynix

192KB

LC67F500

Snayo

640KB

32KB

（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USBHost和USBSlave控制器。表1.6显示了内置USB控制器的ARM芯片。

表1.6 内置USB控制器的ARM芯片

芯片型号

ARM内核

供应商

USBSlave

USBHost

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

Cirruslogic

0

3

1

DragonballMX1

ARM920T

Motorola

1

0

1

SAA7750

ARM720T

Plilips

1

0

1

TMS320DSC2x

ARM7TDMI

TI

1

0

0

PUC3030A

ARM7TDMI

Micronas

1

0

5

ML67100

ARM7TDMI

OKI

1

0

0

ML7051LA

ARM7TDMI

OKI

1

0

0

SA-1100

StrongARM

Intel

1

0

0

续表

芯片型号

ARM内核

供应商

USBSlave

USBHost

IIS接口

LH7979531

ARM7TDMI

Sharp

1

0

0

GMS320C7201

ARM720T

Hynix

1

0

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。

（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定义的中断控制器，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地减少任务调度工作量。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、高电平和低电平4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CirrusLogic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高电平中断，这样在接收红外线信号的场合必须用查询方式，浪费大量CPU时间。

（7）IIS（IntegrateInterfaceofSound）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。

（8）nWAIT信号

这是一个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。

（9）RTC（RealTimeClock）

很多ARM芯片都提供实时时钟功能，但方式不同。如CirrusLogic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。

（10）LCD控制器

有些ARM芯片内置LCD控制器，有的甚至内置64KB彩色TFTLCD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。

（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。

（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。

（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。为某些特殊应用设计的ARM芯片（如德国Micronas的PUC3030A）没有外部扩展功能。

（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机通信或用Angel进行调试。一般的ARM芯片通信波特率为115200bit/s，少数专为蓝牙技术应用设计的ARM芯片的UART通信波特率可以达到920kbit/s，如Linkup公司L7205。

（15）DSP协处理器

表1.7总结了ARM+DSP结构的ARM芯片。

表1.7 ARM+DSP结构的ARM芯片

芯片型号

供应商

DSPCore

DSPMIPS

应用

TMS320DSC2X

TI

16bitC5000

500

数码照相机

DragonballMX1

Motorola

24bit56000

MP3播放器

SAA7750

Philips

24bitEPIC

73

CD-MP3

VWS22100

Philips

16bitOAK

GSM

STLC1502

ST

D950

52

VoIP

GMS30C3201

Hynix

16bitPiccolo

AT75C220

ATMEL

16bitOAK

40

AT75C310

ATMEL

16bitOAK

AT75C320

ATMEL

16bitOAK

40×2

L7205

Linkup

16bitPiccolo

60×2

无线应用

L7210

Linkup

16bitPiccolo

Quatro

OAK

16bitOAK

（16）内置FPGA

有些ARM芯片内置有FPGA，适合于通信等领域。表1.8总结了ARM+FPGA结构的ARM芯片。

表1.8 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

100000

484

EPXA4

Altera

ARM922T

400000

672

EPXA10

Altera

ARM922T

1000000

1020

TA7S20系列

Triscend

ARM7TDMI

多种

多种

（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。

（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。

（19）DMA控制器

有些ARM芯片内部集成有DMA（DirectMemoryAccess）接口，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、EthernetMAC、VGAcontroller、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。

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ARM+DSP，ARM+FPGA，ARM+ARM等结构。

（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Portalplayer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）分离出来的专门致力于高速通信芯片设计生产的MinSpeed公司在其多款高速通信芯片中集成了2～4个ARM7TDMI内核。

（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PiccoloDSP芯核、OAK公司16位定点DSP芯核、TI的TMS320C5000系列DSP芯核和Motorola的56KDSP芯核等。见表1.7。

（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1.8。

表1.9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。

表1.9 最佳应用方案推荐

应用

第一方案

第二方案

备注

高档PDA

S3C2410

DragonballMX1

便携CDMP3播放器

SAA7750

USB和CDROM解码器

FLASHMP3播放器

SAA7750

PUC3030A

内置USB和FLASH

WLAN和BT应用产品

L7205，L7210

DragonballMX1

高速串口和PCMCIA接口

VoiceOverIP

STLC1502

数码照相机

TMS320DSC24

TMS320DSC21

内置高速图像处理DSP

续表

应用

第一方案

第二方案

备注

便携式语音email机

AT75C320

AT75C310

内置双DSP，可以分别处理MODEM和语音

GSM手机

VWS22100

AD20MSP430

专为GSM手机开发

ADSLModem

S5N8946

MTK－20141

电视机顶盒

GMS30C3201

VGA控制器

3G移动电话机

MSM6000

OMAP1510

10G光纤通信

MinSpeed公司系列ARM芯片

多ARM核+DSP核