各品牌ARM SoC技术比较分析

本文将介绍三个常见的ARM SoC，包含ARM7和ARM9，并试着分析与比较它们的性能。
   　　ARM7族群
   　　低耗电量和低成本是ARM7的优点。不过，ARM7的最大执行速率不到100 MHz，因此，在应用上，它和8051之类的微控制器(MCU)类似，但在功能上，ARM7通常优于MCU。
   　　由于一般的MCU都是8-bit，而且不支持操作系统(O.S.)，所以使用MCU开发应用产品的成本通常会比使用ARM7来得便宜。然而，就简单的应用而言，ARM7也可以不需要操作系统，只使用纯粹的韧体，照样可以达到和MCU一样或优于MCU的效能。
   　　TI的TMS470
   　　它的CPU核心是ARM7TDMI，16/32-bit RISC。其正常模式的系统时脉是28 MHz、管线模式是48 MHz。内含128K Bytes的FLASH和8K Bytes的SRAM。其它电路单元还包含：
   　　零脚位锁相回路(ZPLL)时脉模块。
   　　模拟的看门狗定时器(analog watchdog timer;AWD)。
   　　实时中断模块(real-time interrupt;RTI)。
   　　两个”序列外围接口”(SPI)模块。
   　　两个”序列通讯接口”(SCI)模块。
   　　标准的”控制局域网络”(control area network;CAN)控制器(SCC)。
   　　第二类序列界面(C2SIa)。
   　　10-bit、16个输入信道多重缓冲”模拟数字转换器”(MibADC)。
   　　高阶定时器(high-end timer;HET)，控制16个输出入端口(I/O)。
   　　外部时脉预分频器(external clock prescale;ECP)。
   　　共49个I/O脚位，1个只能输入的脚位。
   　　TMS470的系统功能有：
   　　地址译码。
   　　保护内存。
   　　监督内存和各外围的总线。
   　　重置(reset)和取消(abort)的例外管理。
   　　所有内部中断源的排序(prioritization)。
   　　装置的时脉控制。
   　　平行的特性记号(signature)分析(PSA)：是一种自动检测故障的功能，可以利用多个输入的特性记号来检测数据流。这个特性记号可以用来判定处理器是处于好的或坏的状态。
   　　上述的ZPLL、HET、MibADC是TMS470的特殊功能。ZPLL包含了一个PLL、一个时脉监督(clock-monitor)电路、一个时脉致能(clock-enable)电路和一个预分频器(预分频值是从1~8)。ZPLL的功能是将外部的参考电压乘以预分频值，以获得较高的频率，供给TMS470内部使用。ZPLL提供ACLK给TMS470的系统模块，之后，系统模块会产生系统时脉(SYSCLK)、实时中断时脉(RTICLK)、CPU时脉(MCLK)、外围接口时脉(ICLK)。所谓”零脚位”是指ZPLL没有提供外部滤波器的接脚，亦即不需要连接外部滤波器的意思。
   　　许多不熟悉TI芯片的硬件工程师，经常不知道要如何将石英振荡器(crystal oscillator)或外部的时脉信号连接到TI芯片上。其实，TMS470内部已经具有一个振荡器电路(在ZPLL内)，但若要启动它，外部需要连接一个4MHz~20 MHz的石英或谐振器(resonator)，并且要在OSCIN和OSCOUT脚位之间连接负载电容，如图2(a)所示。这个负载电容的大小应该由石英振荡器的供货商提供，如果施予不正确的载电容值，可能无法使TMS470正常开机和工作。
   　　此外，如果不使用TMS470内部的振荡器，而改用外部的参考时脉或外部的振荡器输出信号，此时要将1.8V的时脉信号连接到OSCIN脚位，并将OSCOUT脚位保持开路的状态，如附图2(b)所示。当然，不同厂牌的芯片的时脉来源之连接方式不尽相同，硬件工程师事先应仔细查阅它们的技术手册。
   　　HET是一种先进的智能型定时器，它为实时的应用提供精确的计时功能。此定时器是由软件控制的，使用精简的指令集、特殊的微电路架构、I/O端口。它可以应用于数据比较、采集，或当成GPIO，尤其适用于对多个传感器(sensor)的输入数据做比较，或输出复杂的和精确的时间脉冲(如：PWM脉冲)来驱动起动器(actuator)。
   　　HET的周边具有”XOR-分享”的功能，此功能可以让两相邻的HET通道被XOR在一起，和HET的标准输出脉冲相比，这能够输出更小的脉冲信号。
   　　为了让使用者可以为FLASH、RAM、HET RAM寻址，TMS470有提供“内存选择”(memory selection)的功能。每一个“内存选择”具有它自己的“内存基本地址缓存器(memory base address register)”-MFBAHRx和MFBALRx(分别是高位和低位元)，用来定义各个内存区块的起始(基本)地址、区块大小和保护方式。每一个“内存选择”的基本地址是透过缓存器来设定的，它们应该要符合附图3中的映像地址之边界值-必须是区块大小的整数倍。图4是TMS470的“内存选择”的分配情形。
   　　MibADC接受一个模拟信号，并将它转换成一个10-bit的数字信号。MibADC具有两个模式：相容vs.缓冲模式。在兼容模式中，TMS470的“程序模型”(programmer‘s model)和TMS470的ADC模块兼容，而且MibADC的数字输出是储存在“数字输出缓存器”(digital result register)中;“程序模型”包含：缓存器、寻址模式(addressing mode)和中断。兼容模式能让ADC的程序设计工作变得比较容易，因为只要直接读取数字输出缓存器即可取得转换后的数字数据。在缓冲模式中，数字元输出缓存器被3个FIFO缓冲存储器取代-分别表示不同的转换群组(事件、群组1、群组2)。在兼容模式中，MibADC的FIFO是被“中断服务例程(ISR)”读取。
   　　Philips的LPC2214
   　　它的CPU核心是16/32-bit ARM7TDMI-S，S是“可合成”(synthesizable)的意思，可让SoC设计业者能将ARM7TDMI核心快速地和灵活地与其它IP合成。LPC2214的主要特性如下：
   　　内建有256 Kbytes的FLASH、16 Kbytes的SRAM，工作速率60 MHz。128-bit的“内存加速模块”(memory accelerator module;MAM)，能使CPU快速攫取到(prefetch)下一个ARM指令，因此，执行速率可以达到60 MHz。
   　　透过芯片内的开机加载软件(boot loader)，可以达到“系统内编程”(In-System Programming;ISP)和“应用中编程” (In-Application Programming;IAP)的功能。
   　　所谓”系统内编程”是指利用JTAG和软件，可以在很短的时间内(约30秒~40秒)，将使用者系统程序写入FLASH中，或清除FLASH的所有内容;在这过程中，并不需要从主机板中将处理器或FLASH拆除，因此可以节省成本和时间。这有利于产品的开发;或能让技术人员到客户端更新软件或参数，且不需要拆机壳大翻修。目前大多数的MCU、SoC、DSP、FPGA/CPLD都有提供类似的工具和功能。
   　　所谓“应用中编程”是指利用两组FLASH，可以在远程将韧体版本升级。当将第一组FLASH的程序代码被清除或被重新写入时，处理器使用第二组FLASH的程序代码来执行。当第一组FLASH的写入作业完成之后，系统可以马上切换去执行第一组FLASH里面的程序代码。这个功能对网络通讯设备而言，是很重要的，因为当韧体版本升级时，这些设备的操作系统是不能停止的。
   　　支持EmbeddedICE-RT和Embedded Trace接口，透过RealMonitor软件可以进行实时除错。
   　　8个通道的10-bit ADC，转换时间小于2.44μs。
   　　2个32-bit定时器(4个采集信道和4个比较信道)，1个PWM单元(6个输出)、1个实时时脉产生器(real time clock)、1个看门狗定时器。
   　　多种序列接口，这包含：2个UART、1个快速I2C(400 Kbps)、2个SPI。
   　　1个向量式中断控制器(可设定中断的优先级和中断向量的地址)。
   　　可设定的外部内存接口，最多可设定4个内存排组(bank)，每排最长16M-bit和8/16/32-bit的数据宽度(因此，支持的最大内存空间是64 MBytes)。
   　　最多112个GPIO脚位(5V)。9个外部中断脚位(边缘或水平触发)。
   　　内建有PLL，支持的最大CPU时脉为60 MHz。
   　　内建有石英振荡器，工作频率范围是1 MHz~30 MHz。
   　　两种低功率模式：闲置(Idle)和功率下降(Power-down)。
   　　透过外部中断，可以将处于“功率下降模式”的处理器唤醒。
   　　为了使功率的利用能够达到最佳化，可以开启(enable)或关闭(disable)个别的周边功能。
   　　LPC2214也和TMS470一样有支持ADC的功能，因此，它们都很适合用来开发数据采集用途的装置，例如：条形码扫描机等。不过，TMS470的MibADC可以支持16个通道，但LPC2214只支持8个通道。
   　　其实，LPC2214的PWM的运作原理和定时器一样。定时器是依照7个比较缓存器(match register)来计算外围装置的时脉周期数目，并产生中断;或当定时器的计数数目达到特定值时，系统就会去执行指定的工作。因为它能够分别控制上升缘和下降缘的位置，所以应用较广。例如：多相(multi-phase)马达的控制通常需要3个不重迭的(non-overlapped)PWM输出，分别控制3个脉冲宽度和位置。7个比较缓存器能够提供最多6个单边(single edge)控制的，或3个双边(double edge)控制的PWM输出脉冲。
   　　LPC2214的内存映像(图4)是固定的，在重新映像时，不需要再设计其它复杂的程序代码，以便在不同的地址区块执行。其中，CPU中断向量可以被重新映像，好让中断向量能储存于芯片内的FLASH中(默认值为0x00000000)，或储存于芯片内的SRAM中。藉由设定MEMMAP缓存器的值，就可以进行重新映射，重新映射完成后，开机码区块(boot block)将被搬移(relocate)至芯片内存储器映像的最上方。
   　　LPC2000系列的SoC都具有下列三种工作模式或开机状态：
   　　开机加载模式：被硬件重置启动，之后，开机加载程序会被执行。开机码区块里的中断向量会被映像至内存映像(FLASH)的最下方，以便于在开机加载过程，能够处理例外和中断请求。
   　　使用者FLASH模式：当开机加载程序发现FLASH里有使用者程序存在时，而且开机加载程序不需要再执行时(没有被强制执行)，就进入此模式。(这很像PC的BIOS开机过程，若一直按F1或DEL键，就会进入BIOS模式;若不按此键，则操作系统会正常运作。)在此模式中，中断向量不会被映射，仍然位于FLASH的最下方。
   　　使用者RAM模式：被使用者程序启动。中断向量被重新映射至SRAM的最下方。
   　　ARM9族群
   　　ARM9大约可以达到180MHz~200 MHz的工作速率。因此，它能驱动的周边装置比ARM7多，应用范围也比较广。下面举Atmel的AT91RM9200来说明。
   　　Atmel的AT91RM9200
   　　它的CPU核心是16/32-bit的ARM920T，其主要功能简述如下：
   　　内建有16 Kbytes的SRAM和128 Kbytes的ROM。
   　　外部总线接口(External Bus Interface;EBI)：可以支持SDRAM、SRAM、“暴量传输的(burst)”FLASH(亦即NOR FLASH)、能直接(glueless)和CompactFlash、SmartMedia、NAND FLASH连接。
   　　7个外部中断来源，1个快速中断来源。
   　　4个32-bit可程序I/O控制器，122个可程序I/O脚位，每个I/O脚位具有输入变动中断和”开路泄极”(open-drain)的功能。“开路泄极”是指在芯片内部的MOS FET输出电路上的泄极没有连接任何组件(电阻)。通常，它可以用来驱动高电流或高电压的负载;或者说，多个外部装置可以和此单一线路做双向通信。
   　　具有20个信道的周边装置控制器(DMA)。
   　　4个可程序外部时脉信号。
   　　内建2个振荡器，以及2个PLL。
   　　软件控制的功率最佳化功能。
   　　实时时脉产生器具有警报中断功能。
   　　中断控制器具有8个不同等级的优先级。能个别屏蔽的向量式中断来源，可抑制寄生信号对中断信号的干扰。
   　　支持以太MAC 10/100 Base-T、MII或RMII，整合了28-byte的FIFO和专属的DMA传收通道。
   　　支持USB 2.0(12 Mbps)主机端口(host port)和装置端口(device port)。主机端口有整合FIFO和专属的DMA。
   　　多媒体记忆卡接口(multimedia card interface;MCI)：支持自动的通信协议控制、和自动化的数据快速传输;与MMC和SD标准兼容，最多可支持2个SD记忆卡。
   　　3个同步的序列控制器(SSC)：每个传送器和接收器都具有独立的时脉和讯包同步信号。支持I2S模拟接口，采用分时多任务技术。
   　　4个万用同步/异步接收传送器(USART)：可支持RS485、IrDA、调制解调器(modem)、ISO 7816的T0/T1 Smart Card。
   　　主从式序列外围接口(SPI)：8到16-bit的可程序数据长度，可以选择4个外部外围芯片。
   　　2组3-通道、16-bit的定时器/计数器(TC)：3个外部输入时脉、每个通道具有2个多用途I/O脚位。能够产生双PWM信号。
   　　双线路界面(two-wire interface;TWI)：支持主控模式(master mode)，支持Atmel所有的双线路EEPROM。
   　　所有数字脚位都支持IEEE 1149.1 JTAG边界扫描。
   　　AT91RM9200算是性能非常强大的SoC，它可以用来开发通信、储存、控制等产品。由于它的功能很多，所以本文无法逐项详细说明，在此仅介绍它的USB 2.0主机端口。
   　　它的USB 2.0主机端口支持“开放式主机控制器接口”(Open Host Controller Interface;OHCI) v1.0规格，以及USB v2.0全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)规格的信讯协议。它整合了1个“根部集线器”(root hub)和下游的2个USB传收器。标准的OHCI USB通讯堆栈驱动程序可以轻易地移植到此架构中，不需要顾虑硬件的兼容问题;可以执行现有全部的USB类别驱动程序，这表示所有标准的USB类别装置(class device)都能被自动侦测，让使用者应用。图5是其内部架构图。
   　　在主机控制器和主机控制器驱动程序之间，有两个通信信道。第一个信道使用主机控制器内部的作业缓存器组，这个信道的通信对象(目的地)就是主机控制器。这组缓存器包含了控制、状态、串行指针(list pointer)缓存器。它们都被映像至系统总线(ASB)的映像区域内。其中有一个指标是指向处理器的地址空间-称为“主机控制器通讯区域”(Host Controller Communication Area;HCCA)。HCCA正是第二个通信信道。在此信道内，主机控制器是通信主控(主导)者。HCCA包含一些起始指标(head pointer)，分别指向中断模式的“端点描述者”(Endpoint Descriptor)串行、已处理完毕的队列(done queue)，和“讯框起始”(start-of-frame;SOF)所代表的状态信息。
   　　此接口的基本建构区块包含：端点描述者(ED)和传输描述者(Transfer Descriptor;TD)。主机控制器对系统内的每一个端点各别分配一个ED，TD队列连结至特定的ED上。
   　虽然有了硬件的USB 2.0主机端口，但是USB的软件驱动程序仍然是不可或缺的。图7是它的USB驱动程序架构。USB的数据处理作业是透过下列的通信层完成的：
   　　主机控制器硬件和序列引擎(serial engine)：在总线上，传送和接收USB数据。
   　　主机控制器驱动程序：驱动主机控制器硬件和处理USB通信协议。
   　　USB总线驱动程序和集线器驱动程序：处理USB命令和“列举”(enumeration)。提供一个硬件的独立接口。
   　　迷你驱动程序(mini driver)：处理USB装置特有的命令。不同厂牌的USB装置可能具有不同功能的特殊命令。
   　　类别驱动程序：处理标准的装置及其命令。某一标准类别的USB装置之类别驱动程序都具有共同的特性，或类似的程序代码和逻辑;例如：人机接口装置(HID)的驱动程序。
   　　性能比较分析
   　　目前在国外市场上TMS470、LPC2214、AT91RM9200等ARM SoC很受到欢迎。当然，还有其它厂牌的ARM SoC也很受欢迎，譬如：Samsung、Analog等。虽然在价格上它们不见得是最便宜的，但是由于它们的性能优异、容易应用，所以拥有许多忠实的用户。