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2.2 ARM微处理器系列芯片及应用选型

ARM微处理器系列主要有ARM7微处理器系列、ARM9微处理器系列、ARM10E微处理器系列、ARM11微处理器系列、SecurCore微处理器系列、Intel的XScale微处理器系列、ARM的Cortex微处理器系列等。其中ARM7、ARM9、ARM10E、ARM11为4个通用的处理器系列,每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求;SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计;ARM的Cortex系列为各种不同性能要求的应用提供了一套完整的优化解决方案。

2.2.1 ARM7微处理器系列

ARM7微处理器系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ几种类型。其中,ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC微处理器,主要具有以下特点。

● 工作主频最高可达130MHz,高速的运算处理能力可胜任绝大多数的复杂应用。

● 采用能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。

● 内嵌硬件乘法器(Multiplier),支持16位压缩指令集Thumb。

● 嵌入式ICE-RT,支持片上Debug,支持片上断点和调试点,调试开发方便。

● 指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户产品的升级换代。

● 支持Windows CE、Linux、Palm OS等操作系统。

其中命名系列中的组成字母所表示的意义如下。

T表示支持16位的压缩指令集Thumb;D表示支持片上调试(Debug);M表示具有增强型乘法器(Multiplier),支持乘加运算,产生全64位的结果;I表示嵌入式ICE芯片,可提供片上断点和调试点的支持。

ARM7微处理器系列主要应用在工业控制、网络设备和移动电话等嵌入式系统中。

2.2.2 ARM9微处理器系列

ARM9微处理器系列包含ARM920T、ARM922T和ARM940T几种类型,可以在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。主要具有以下特点。

● 工作主频最高可达533MHz,运算处理速度极高。

● 采用5级整数流水线,指令执行效率更高。

● 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。

● 支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。

● 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

● 支持32位的高速AMBA总线接口。

● 全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

ARM920T处理器核在ARM9TDMI处理器内核基础上,增加了分离式的指令Cache和数据Cache,并带有相应的存储器管理单元I-MMU和D-MMU、写缓冲器及AMBA接口等。

ARM9系列微处理器主要应用于无线通信设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。

2.2.3 ARM更为高级的微处理器系列

1.ARM9E系列

ARM9E系列微处理器包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型,以适用于不同的应用场合。

2.ARM10E系列

ARM10E系列主要包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型,以适用于不同的应用场合。

3.ARM11系列

ARM11系列微处理器的新内核有ARM1156T2-S内核、ARM1156T2F-S内核、ARM1176JZ-S内核和ARM1176JZF-S内核。

1)ARM1156T2-S内核和ARM1156T2F-S内核都基于ARMv6指令集体系结构,是首批含有ARM Thumb-2内核技术的产品,可令合作伙伴进一步减少与存储系统相关的生产成本,主要用于多种深嵌入式存储器、汽车网络等。该体系结构中增加了对汽车安全系统内安全应用产品开发非常重要的存储器容错能力。

2)ARM1176JZ-S内核和ARM1176JZF-S内核也是基于ARMv6指令集体系结构的,是首批以ARM Trust-Zone技术实现手持装置和消费电子装置中公开操作系统的超强安全性产品。主要为服务供应商和运营商提供新一代消费电子装置和为安全的网络下载提供支持。

2.2.4 ARM微处理器的应用选型

鉴于ARM微处理器的类型和种类较多且各有千秋,随着我国嵌入式系统应用领域的逐步扩展,ARM微处理器将会得到极大的应用。但是,ARM微处理器目前已有多达十几种的内核结构,几十个芯片生产厂家,以及千变万化的内部功能组合,给开发人员在开发选择方案时带来了一定的困难,所以对ARM芯片做一些对比研究还是十分必要的。一般应用时选取的原则是,先做技术层面的考虑,再考虑经济层面,然后考虑一些其他因素,如功耗、体积、可靠性等。下面叙述选择ARM微处理器时主要考虑的问题。

1.ARM微处理器内核的选择

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。如果是进行裸机开发,选取的范围可以大一些,只要满足系统的要求,哪一种内核结构均可行;如果用户要使用标准的Linux操作系统或Windows CE操作系统等以减少软件的开发周期,就需要选择具有存储器管理单元(Memory Management Unit,MMU)的微处理器内核结构,如ARM720T、ARM920T、ARM922T、Strong ARM微处理器等。而ARM7TDMI内核没有MMU,不支持标准的嵌入式Linux操作系统或Windows CE操作系统的运行。但uCLinux等嵌入式操作系统不需要MMU的支持也可很好地运行在ARM7TDMI硬件平台上,而且运行的稳定性很好。

2.微处理器的工作频率

微处理器的工作频率在很大程度上决定着ARM微处理器的处理能力,即执行指令的速度。控制系统选取工作频率时,主要根据它的控制周期来决定,尤其对于多任务的操作系统而言,必须有足够的速度富裕度。

ARM7系列微处理器的典型处理速度是0.9MIPS/MHz,常见的ARM7系列芯片的系统主时钟频率为20~133MHz;ARM9系列微处理器的典型处理速度是1.1MIPS/MHz,常见的ARM9系列芯片的系统主时钟频率为100~233MHz。ARM10系列芯片最高可达700MHz。不同芯片的微处理器外接的晶振个数不同,有的芯片只需要一个外接晶振来产生主时钟频率,可以通过锁相环(PLL)芯片分别为ARM内核和USB、UART、DSP等功能部件提供不同的时钟频率。

3.微处理器片内外存储器和外围接口的选择

ARM微处理器芯片有的内部含有存储器,有的内部没有。选择含有内部RAM、ROM的微处理器芯片可以简化电路的设计,提高系统工作的稳定性。大部分的微处理器芯片内部存储器的容量都不太大,需要用户在使用时外扩,但也有部分微处理器芯片内具有较大的存储器空间,如ATMEL公司的AT91F40162就具有高达2MB的片内存储器,用户在设计电路时可以进行优化选取。

几乎所有的ARM芯片都根据不同的应用领域而设计,扩展了相关外围电路的功能,并集成在芯片内,称之为片内外围电路。如USB接口、LCD控制器、键盘接口、实时时钟电路(RTC)、模-数转换器(ADC)、数-模转换器(DAC)、集成电路内部总线控制器(I 2 C)、通用异步串行接口(UART)等。设计者应分析系统的需求,尽量采用芯片内部具有的外围接口芯片,以简化系统的硬件设计,提高系统工作的稳定性和可靠性。目前,内部含有较多的存储器和外围电路的微处理器芯片有意法半导体(ST)公司生产的STM32芯片。 QSqtn2/g6bUFusqkND8oAR8aG5IcgfrBRQ6FvKtWRFNlJMHMWB0UIeqR3d7gL7gX

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