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1、ARM核心芯片的选择和简单介绍,嵌入式处理器体系结构,按体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER PCX86SH系列,ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族ARM 11 Thumb 家族,Intel StrongARM,StrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111,INTEL的Xscale架构处理器,基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据
2、和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线,MIPS,从1986年推出R2000处理器以来，MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。,MIPS RISC,MIPS,在MIPS的32位内核中4K系列对应于SOC应用设计；M4K系列内核是为在下一代消费电子
3、、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计；4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标；4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。,MIPS,在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量2002年，一共付运了870
4、0万片采用MIPS内核的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商,ARM vs.MIPS,1.流水线结构 pipeline-MIPS 是最简单的体系结构之一，所以使大学喜欢选择 MIPS 体系结构来介绍计算体系结构课程。2.指令结构 instruction-MIPS have 32bit and 64bit architecture,-ARM only have 32bit architecture3.寄存
5、器 register-由于MIPS内核中有32个寄存器（Register），而ARM只有16个，这种结构设计上的先天优势，决定了在同等性能表现下，MIPS的芯片面积和功耗会更小。,ARM vs.MIPS,4.地址空间 address space-MIPS 起始地址是0 xbfc00000,会有4Mbyte的大小限制，但一般MIPS芯片都会采取方法解决这个问题。ARM没有这种问题。5.性能 performance-具体性能比较，因为差异性太大，很难分出好坏。6.应用-在1000MHz以上应用,很难找到ARM架构的产品。-MIPS架构用在200MHz或者是266MHz以下的应用比较少,而这恰恰是A
6、RM的主攻市场。-ARM 在手机等便携式领域,MIPS 在住宅网关、线缆调制解调器、线缆机顶盒等,ARM vs.MIPS,7.未来发展-ARM的下一代走向多内核结构，而MIPS公司的下一代核心则转向硬件多线程功能(multithreading)从现在的发展来看，多内核占上风。8.总结ARM和MIPS在一开始的RISC的设计上有很多不同，但随着技术的发展，各自扬长避短，好的技术大家都会使用。,PowerPC体系结构,Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 IBMPowerPC750 PowerPCG3 MotorolaMPC MC,ARM vs.Power P
7、C,Powerpc芯片凭借其出色的性能和高度整合和技术先进特性在网络通信应用，工业控制应用，家用数字化，网络存储领域，军工领域,电力系统控制等都具有非常广泛的应用由于PowerPC相对ARM器件来说价格稍贵，另外ARM开发工具盗版到处都是，所以在中国目前来说PowerPC不是很普及但在一些欧美国家应用很广泛的,PowerPC相对ARM的优势,一是，整合度高以及技术先进性。现在Freescale PowerPC 处理器集成USB,PCI,DDR控制器，SATA控制器，千兆网口控制器，CAN控制器，RapidIO以及PCI_Express控制器，IEEE1588通信协议，支持各种通信协议CPM协处
8、理器，DMA,SPI，IC.UART等，客户无须设计复杂的外围电路，减少设计复杂程度以及物料使用，ARM这点比不上,PowerPC相对ARM的优势,二是，芯片可选范围大，性能高，升级容易，从M-1.7G都有处理器，而且POwerPC将象多核处理器发展，如已经推出集成双e500 core MPC8572,MIPS性能高达。ARM 大概是 1.1 MIPS/MHz，Power Architecture 是大于2.0MIPS/MHz，所以PowerPC在高端嵌入式应用，占有很大比例，ARM这点比不上,PowerPC相对ARM的优势,三是,开发难度方面，其实PowerPC处理器开发难度并不是很高，只不
9、过因为开发的人少，所以中文资料相对较少，另外开发工具也不象ARM那么多盗版的，所以总有些人抱怨PowerPC处理器开发难度大，如Freescale都免费给客户提供 Datasheet,设计详细文档给用户，而且最底层驱动，Freesclae都已经开发好相信以后用的人会越来越多,PowerPC相对ARM的优势,四是，价格方面，总有人抱怨说PowerPC处理器价格贵，相对ARM来说，同样频率的，可能会贵点，但是如果是MIPS/MHz性能比较以及整合的外围电路来说，PowerPC还是有一定优势的，Freescale也意识到这个问题，所以推出了象工作频率低点的MPC8313,MPO8323等低价格处理器
10、，另外如coldfire也推出低价格处理器，随着Freescale后面产品继续推出，PowerPC处理器价格会越来越便宜,X86体系结构,Intel X86体系结构AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 CISC指令集,SH体系结构,SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的
11、时间,1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。在美国，SH系列占有较大的市场份额 型号SH1-4（32位）SH5(64位),ARM芯片选择的一般原则,目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI,StrongARMARM720T,ARM9TDMI,ARM922T,ARM940T,ARM946T,ARM10TDM1等。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
12、,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。,ARM芯片选择的一般原则,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(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。,ARM芯片选择的一般原则,系统时钟控制器系统时钟决定了ARM芯片的处理速度
13、。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不同频率的时钟,如PHILIPS公司的SAA7550等芯片。,ARM芯片选择的一般原则,内部存储器容量在不需要大容量存储器时,
14、可以考虑选用有内置存储器的ARM芯片,ARM芯片选择的一般原则,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。,ARM芯片选择的一般原则,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。,ARM芯片选择的一般原则,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
15、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。,ARM芯片选择的一般原则,RTC(RealTimeClock)很多ARM芯片都提供实时时钟功能,但方式不同。如Cir
16、rusLogic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。,ARM芯片选择的一般原则,LCD控制器有些ARM芯片内置LCD控制器,有的甚至内置64K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S1C2410较为适宜。,ARM芯片选择的一般原则,IIS（Integrate Interface of Sound）接口即集成音频接口。如果设计者频应用产品，IIS总线接口是必需的。,ARM芯片选择的一般原则,ADC和DAC有些ARM芯片内置28
17、通道812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。,ARM芯片选择的一般原则,PWM输出有些ARM芯片有28路PWM输出,可以用于电机控制或语音输出等场合。,ARM芯片选择的一般原则,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。,ARM芯片选择的一般原则,UART和IrDA几乎所有的ARM芯片都具有12个U
18、ART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。,ARM芯片选择的一般原则,DMA控制器有些ARM芯片内部集成有DMA(DirectMemoryAccess)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-OMDecoder,EthernetMAC,VGAcontroller,DC-DC。可以选择的内置接口有：IIC,SPDIF,CAN,SPI
19、,PCI,PCMCIA。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。,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。,多芯核结构ARM芯片的选择,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
20、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24个ARM7TDMI内核。,多芯核结构ARM芯片的选择,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、Motorola的56K
21、DSP芯核等。,多芯核结构ARM芯片的选择,多芯核结构ARM芯片的选择,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。,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、Portalplayerinc.、NetSilicon，
22、Parthus。日本的许多著名半导体公司或东芝、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已经指生产了ARM芯片。韩国的现代半导体公司也生产提供ARM芯片。国外也很多设备制造商采用ARM公司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芯片的公司台积电、台联电、华帮电子等。已购买ARM芯核
23、，正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司会为通讯中兴通讯等。,主要ARM芯片供应商,最佳应用方案推荐,小结,（1）ARM微处理器内核的选择从 前面所介绍的内容可知，ARM微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果希望使用WinCE或标准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、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都带有MMU功能。而 ARM7TDMI则没有MMU，不支持Windows CE和标准Linux，但目前有uCLinux
24、等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。事实上，uCLinux已经成功移植到多种不带MMU的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。,小结,（2）系统的工作频率系 统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟 为20MHz-133MHz，ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时
25、钟控制器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟。,小结,（3）芯片内存储器的容量大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。,小结,（4）片内外围电路的选择除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。,
