ARM核心芯片的选择课件.ppt

1、ARM核心芯片的选择和简单介绍核心芯片的选择和简单介绍 嵌入式处理器体系结构嵌入式处理器体系结构 按体系结构的不同可分为五大类 ARM MIPS POWER PC X86 SH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 110 StrongARM 1100 StrongARM 1110 StrongARM 1111INTEL的的Xscale架构处理器架构处理器 基于ARM V5TE体系结构 兼容ARM V5TE ISA指令

2、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。2019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 RISCMIPS

3、 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、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

4、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 2019年，一共付运了8700万片采用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.MIPS1.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 archi

5、tecture,-ARM only have 32bit architecture3.寄存器 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.MIPS4.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A

6、RM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ARM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.MIPS7.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体系结构体系结构 Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 IBM

7、PowerPC750 PowerPCG3 Motorola MPC MCARM vs.Power PC 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相对相对ARM的优势的优势 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

8、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相对相对ARM的优势的优势 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，A

9、RM这点比不上PowerPC相对相对ARM的优势的优势 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相对相对ARM的优势的优势 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，Pow

10、erPC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，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

11、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，以减少访问内存的时间 2019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芯片选择的一般原则 目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI,StrongARM ARM720T,ARM9TD

12、MI,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,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(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Windo

13、ws 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。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。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

14、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,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

15、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

16、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(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。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。ARM芯片选择的一般原则 IIS（Integrate

17、 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

18、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。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(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

19、有：HDLC,SDLC,CD-OM Decoder,Ethernet MAC,VGA controller,DC-DC。可以选择的内置接口有：IIC,SPDIF,CAN,SPI,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。多芯核结构多芯核结构ARM芯片的选择芯片的选择 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

20、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。多芯核结构多芯核结构ARM芯片的选择芯片的选择 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24个ARM7TDMI内核。多芯核结构多芯核结构ARM芯片的选择芯片的选择 ARM芯核+DSP芯核为了增强

21、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。多芯核结构多芯核结构ARM芯片的选择芯片的选择多芯核结构多芯核结构ARM芯片的选择芯片的选择 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。主要主要ARM芯片供应商芯片供应商 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

22、、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。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、S

23、ony、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，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。主要主要ARM芯片供应商芯片供应商最佳应用方案推荐 小结小结（1）ARM微处理器内核的选择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

24、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。小结小结（2）系统的工作频率）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。ARM

25、7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。小结小结（3）芯片内存储器的容量）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。小结小结（4）片内外围）片内外围电路电路的选择的选择除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。