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论文嵌入式芯片及开发板的种类与选型
论文:
嵌入式芯片及开发板的种类与选型
鉴于ARM微处理器的众多优点,随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展,ARM微处理器必然会获得广泛的重视和应用。
但是,由于ARM微处理器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芯片做一些对比研究是十分必要的。
以下从应用的角度出发,对在选择ARM微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要的探讨。
1.ARM芯片选择的一般原则
1.1ARM内核:
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,如ARM720T、Stron-gARM、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。
1.2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0.9MIPS/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AM9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。
1.3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。
见表1。
表1
芯片型号
供应商
FLASH容量
ROM容量
SRAM容量
AT91F40162
AT91FR4081
SAA7750
PUC3030A
HMS30C7202
ML67Q4001
LC67F500
ATMEL
ATMEL
Philips
Micronas
Hynix
OKI
Snayo
2MBytes
1MBytes
384KBytes
256KBytes
192KBytes
256KBytes
640KBytes
256Kbytes
4KBytes
128KBytes
64Kbytes
56Kbytes
32Kbytes
1.4USB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。
见表2。
表2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
S3C2400
S5N8946
L7205
L7210
EP9312
DragonballMX1
SAA7750
TMS320DSC2x
PUC3030A
AAEC-2000
ML67100
ML7051LA
SA-1100
LH7979531
GMS320C7201
ARM920T
ARM920T
ARM7TDMI
ARM720T
ARM720T
ARM920T
ARM920T
ARM720T
ARM7TDMI
ARM7TDMI
ARM920T
ARM7TDMI
ARM7TDMI
StrongARM
ARM7TDMI
ARM720T
Samsung
Samsung
Samsung
Linkup
linkup
CirrusLogic
Motorola
Philips
TI
Micronas
Agilent
OKI
OKI
Intel
Sharp
Hynix
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
0
1
1
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
5
0
0
0
0
0
1
1.5GPIO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。
1.6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同的中断控制器,以便支持诸如串行口、外部中断、时钟断等硬件中断。
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才高电平中断,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CPU时间。
1.7IIS(IntegrateInterfaceofSound)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。
1.8nWAIT信号:
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。
1.9RTC(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。
1.10LCD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。
1.11PWM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。
1.12ADC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。
1.13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。
某些特殊应用ARM芯片如德国Micronas的PUC3030A没有外部扩展功能。
1.14UART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L7205。
1.151.17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。
1.18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。
1.19DMA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-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。
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ARM+DSP,ARM+FPGA,ARM+ARM等结构。
2.1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)分离出云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2~4个ARM7TDMI内核。
2.2ARM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苡核有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56KDSP芯核等。
见表3。
表3ARM+DSP结构的ARM芯片
芯片型号
供应商
DSPcore
DSPMIPS
应 用
TMS320DSC2X
DragonballMX1
SAA7750
VWS22100
STLC1502
GMS30C3201
AT75C220
AT75C310
AT75C320
L7205
L7210
Quatro
TI
Motorola
Philips
Philips
ST
Hynix
ATMEL
ATMEL
ATMEL
Linkup
Linkup
OAK
16bitsC5000
24bits56000
24bitsEPIC
16bitsOAK
D950
16bitsPiccolo
16bitsOAK
16bitsOAK
16bitsOAK
16bitsPiccolo
16bitsPiccolo
16bitsOAK
500
73
52
40
40x2
60X2
DigitalCamera
CD-MP3
CD-MP3
GSM
VOIP
STB
IA
IA
IA
Wireless
Wireless
DigitalImage
2.3ARM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,适合于通讯等领域。
见表4。
表4ARM+FPGA结构的ARM芯片
芯片型号
供应商
ARM芯核
FPGA门数
引脚数
EPXA1
EPXA4
EPXA10
TA7S20系列
Altera
Altera
Altera
Triscend
ARM922T
ARM922T
ARM922T
ARM7TDMI
100K
400K
1000K
多种
484
672
1020
多种
2主要ARM芯片供应商及代表性产品的应用领域
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、CirrusLogic、Linkup、Parthus、LSILogic、Micronas,SiliconWave、Virata、Portalplayerinc.、NetSilicon,Parthus。
见表5。
表5主要ARM芯片供应商及其代表性产品和主要应用领域
供应商
芯片1
芯片2
芯片3
芯片4
主要应用
Intel
TI
Samsung
Motorola
Philips
CirrusLogic
Linkup
ATMEL
OKI
Sharp
Qualcomm
ST
Infineon
Analog
Hynix
Micronas
Conexant
Agilent
Portalpayer
NEC
NetSilicon
LSILogic
Alcatel
Altera
Panasonic
SiliconWave
OAK
Rohm
Parthus
Intersil
SiRF
Sirius
Sanyo
Virata
Agere
SA-110
TMS320DSC21
S3C44B0X
DragonballMX1
SAA7750
EP7209
L7200
AT91R40XXX
ML67100
LH75400/1
MSP1000
STLC1502
PMB7754
AD20MSP430
GMS30C7201
PUC3030A
CN9414
AAEC-2000
PP5002
UPD65977
NET+15
CBP3.0
MTC20276
EPXA1
MN1A7T0200
SiW1750
Quatro
BU6611AKU
InfoSream
ISL3856
SiRFStarII
CDMAx
VOL101
Helium
T8300
SA-1100
TMS320DSC24
S3C2410
VWS22100
EP7212
L7205
AT75C310
ML7051LA
LH79520
MSM3000
STw2400
HMS30C7202
CX82100
NET+40
CBP4.0
MTK20141
EPXA4
DIRAC
Helium200
T8302
SA-1110
TMS320DSC25
S3C4510
VCS94250
EP7312
L7210
AT76C901
ML67Q4000
LH79531/2/3
MSM5000
HMS39C7092
NET+50
L64324
MTK20285
EPXA10
Helium210
IXP1200
PMAP1510
S5N8946
VW26001
EP9312
AT76C502
ML67Q2300
LH7A400
MSM6000
MTC20277
Lithium
PalmPC,Network
DigitalCamera
ADSL,PDA
BT,PDA
MP3,GSM,3G,BT
GP,MP3
Wireless
GP,Wireless
GP,BT
Portablehandheld
CDMA
VOIP,BT
BT
GSM
STB,GP
GP,MP3
Network,Modem
IA
MP3,PDA
Configurable
Ethernet
CDMA
ISDN,ADSL
Configurable
PDA,Phone
BT
DigitalImage
ISDN
WirelessInternet
802.11b,WLAN
GPS
3GCDMA
CD-RHDC
Communications
Mobilephone
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。
另外,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。
其它已购买ARM芯核,正在设计自主版板权专用芯片的大陆公司为中兴通讯等。
4选择最佳应用方案推荐
表6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以不是最佳的了。
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,以找出最适合芯片。
表6方案
应 用
第一选择方案
第二选择方案
注 释
高档PDA
S3C2410
DragonballMX1
便携CDMP3播放器
SAA7750
USB和CD-ROM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
数字式照相机
TMS320DSC24
TMS320DSC21
内置高速图像处理DSP
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+多DSP核
3嵌入式开发板的功能与作用
嵌入式开发板,从概念上来讲,与软件外包非常类似,像嵌入式产品的硬件、引导代码、驱动程序、文件系统、协议层、基本应用软件这些方面,都是电子产品的公共和通用部分,并不是产品能够形成差异化的关键技术,在这个讲求分工合作的时代,如果是这部分的工作量比较大,或者是厂商没有相关的开发人员的时候,就能够选择由第三方完成这些软件开发的工作,加快产品研发的进程,实现产品的迅速上市,抢占市场先机。
那么,作为“发包方”的开发板用户,选择开发板的时候,实际上选择的不仅是一个硬件板子、开发板提供的源代码等资源,而是选择一个合作伙伴,一个为用户提供软硬件服务的合作伙伴。
与软件外包这种合作方式类似,用户和供应商之间的合作更多是软件方面的合作,需要用户和供应商之间根据产品的具体需求进行充分沟通,供应商要根据用户的需求不断地调用人员进行配合。
像我们在支持客户进行产品开发的过程中,遇到的比如更改文件系统、串口测试、64MFlash换成128MFlash等问题,大多情况都是要通过软件方式来解决的,这就形成了嵌入式行业供应商的售后支持和客户研发的高度互动性。
也就是说,嵌入式开发板是用户软件外包的载体,相对于传统的软件外包业务,开发板实际上能够为用户提供硬件实物和软件服务两方面的价值。
目前,在嵌入式行业中,除了嵌入式开发板,外包的形式也趋向多样化,用户能够根据自己的产品需要,向供应商提出定制要求,由供应商提供硬件设计和驱动移植等方面的服务;有可能电子厂商会自己设计硬件,由嵌入式系统厂商帮助其完成系统的移植、驱动的完善工作。
从行业链上的作用来看,嵌入式系统厂商能够采用灵活的服务方式,利用自己的技术优势帮助电子产品厂商缩短产品开发周期、节省设计资源方面的投资,促进电子产品厂商的快速发展。
4嵌入式开发板选型的建议
以嵌入式开发板的功能和作用作为出发点,嵌入式开发板选型应该从以下三个方面来综合考虑:
(一)开发板的硬件设计是基本照搬半导体厂商的参考设计,还是充分为国内厂家生产制造、产品上市等方面考虑。
(二)开发板的软件是否支持完善,是否能够支持所有开发板上所有的硬件接口。
开发板的价值就在于,能够让用户节省在系统、驱动等方面的投入,专注于使产品形成差异化的上层软件的开发。
如果供应商提供的开发板,板级硬件接口没有对应的软件驱动的支持,用户的开发进度就会受到影响。
在购买开发板的时候,一定要确认清楚,是不是所有的硬件接口都有相应的驱动,开发板是不是拿到手就能够马上用来做开发。
(三)供应商的技术支持力度如何。
嵌入式行业是客户研发和售后支持具有高度互动性的行业,供应商的技术支持有时就会成为用户产品上市的关键因素,在供应商的技术支持能力方面,一定要慎重考察。
总之,用户在购买开发板的时候,选择的不是开发板,而是为自己提供服务的合作伙伴。
开发板的价格是公司服务价值的体现,所以目前很多追求最低价开发板的消费理念是偏颇的。
选择开发板,选择一个为自己服务的公司,一定要慎重。
以嵌入式开发arm开发板板的功能和作用作为出发点,嵌入式开发板选型应该从以下三个方面来综合考虑:
(一)开发板的硬件设计是基本照搬半导体厂商的参考设计,还是充分为国内厂家生产制造、产品上市等方面考虑。
半导体厂商专注于芯片的设计,对参考设计的投入一定不会像开发板的厂商一样,能够做到专注专业。
国外芯片厂商的工程师,在做参考设计的时候,习惯上会采用在本国使用比较多的外围芯片。
这样,半导体厂商的参考设计对国内厂商提供的参考价值有限。
专门以开发板为主要产品的公司的出现,也体现了分工合作,协同创新的理念。
目前龙人科技专业提供ARM系列开发板(ARM9开发板和ARM7开发板)、ColdFire系列开发板、ColdFire系列开发板、ADSP系列开发板、MIPS系列开发板及达芬奇系列开发板等系列嵌入式开发板。
专业的开发板设计公司,在硬件设计方面,会充分为用户考虑,帮助用户以更高的效率进行开发和制造生产。
龙人工程师选择的硬件芯片都是国内硬件工程师常用的器件、有关的生产制造能够国内现有的生产工艺技术,不仅物料成本低、而且器件容易购买、板子容易生产;使用龙人arm开发板的客户在自己产品批量生产的时候,将能够享受到龙人严格控制成本、易采购、易生产所带来的便利和市场竞争力。
在器件选择上,器件的性能和功能也是必须考虑的因素。
以基于S3C2410的开发板为例,龙人的硬件工程师在硬件选型上就下足了功夫――
以太网:
华恒使用价格便宜的10M/100M自适应以太网芯片,三星的参考设计采用的是10M的cs8900,不仅价格高,而且只能达到10M速度。
所以,在选择arm开发板的时候,无论是出于最终产品的性能和功能考虑,还是为后期能够更加方便地制造生产,用户一定要擦亮眼睛,仔细对比一下供应商提供的开发板是不是更加适合自己的产品研制和生产。
(二)arm开发板开发板的软件是否支持完善,是否能够支持所有开发板上所有的硬件接口。
arm开发板的价值就在于,能够让用户节省在系统、驱动等方面的投入,专注于使产品形成差异化的上层软件的开发。
如果供应商提供的开发板,板级硬件接口没有对应的软件驱动的支持,用户的开发进度就会受到影响。
在购买arm开发板的时候,一定要确认清楚,是不
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