各廠牌ARM SoC技術分析

　　ARM是全球目前嵌入式微處理器的第一品牌。由於它的市場魅力無法擋，所以許多晶片設計公司都有推出內含ARM核心的系統級單晶片(SoC)，這些公司包括︰TI、Philips、Atmel、Cirrus、Samsung、Analog等。本文將介紹三個常見的ARM SoC，包含ARM7和ARM9，並試著分析與比較它們的性能。
　　
ARM7族群
　　低耗電量和低成本是ARM7的優點。不過，ARM7的最大執行速率不到100 MHz，因此，在應用上，它和8051之類的微控制單元(MCU)類似，但在功能上，ARM7通常優於MCU。

　　由於一般的MCU都是8-bit，而且不支援作業系統(O.S.)，所以使用MCU開發應用產品的成本通常會比使用ARM7來得便宜。然而，就簡單的應用而言，ARM7也可以不需要作業系統，只使用純粹的韌體，照樣可以達到和MCU一樣或優於MCU的效能。

TI的TMS470
　　它的CPU核心是ARM7TDMI，16/32-bit RISC。其正常模式的系統時脈是28 MHz、管線模式是48 MHz。內含128K Bytes的FLASH和8K Bytes的SRAM。其它電路單元還包含︰

　　零腳位鎖相回路(ZPLL)時脈模塊。

　　類比的看門狗定時器(analog watchdog timer；AWD)。

　　實時中斷模塊(real-time interrupt；RTI)。

　　兩個”序列外圍界面”(SPI)模塊。

　　兩個”序列通訊界面”(SCI)模塊。

　　標準的”控制局域網路”(control area network；CAN)控制單元(SCC)。

　　第二類序列界面(C2SIa)。

　　10-bit、16個輸入信道多重緩沖”類比數字轉換器”(MibADC)。

　　高階定時器(high-end timer；HET)，控制16個輸出入端口(I/O)。

　　外部時脈預分頻器(external clock prescale；ECP)。

　　共49個I/O腳位，1個只能輸入的腳位。
　
TMS470的系統功能有︰
　　位址譯碼。

　　保護內存。

　　監督內存和各外圍的匯流排。

　　重置(reset)和取消(abort)的例外管理。

　　所有內部中斷源的排序(prioritization)。

　　裝置的時脈控制。

　　平行的特性記號(signature)分析(PSA)︰是一種自動檢測故障的功能，可以利用多個輸入的特性記號來檢測數據流。這個特性記號可以用來判定處理器是處於好的或壞的狀態。

　　上述的ZPLL、HET、MibADC是TMS470的特殊功能。ZPLL包含了一個PLL、一個時脈監督(clock-monitor)電路、一個時脈致能(clock-enable)電路和一個預分頻器(預分頻值是從1~8)。ZPLL的功能是將外部的參考電壓乘以預分頻值，以獲得較高的頻率，供給TMS470內部使用。ZPLL提供ACLK給TMS470的系統模塊，之後，系統模塊會產生系統時脈(SYSCLK)、實時中斷時脈(RTICLK)、CPU時脈(MCLK)、外圍界面時脈(ICLK)。所謂”零腳位”是指ZPLL沒有提供外部濾波器的接腳，亦即不需要連接外部濾波器的意思。

　　許多不熟悉TI晶片的硬體工程師，經常不知道要如何將石英振蕩器(crystal oscillator)或外部的時脈信號連接到TI晶片上。其實，TMS470內部已經具有一個振蕩器電路(在ZPLL內)，但若要啟動它，外部需要連接一個4MHz~20 MHz的石英或諧振器(resonator)，並且要在OSCIN和OSCOUT腳位之間連接負載電容，如圖2(a)所示。這個負載電容的大小應該由石英振蕩器的供貨商提供，如果施予不正確的載電容值，可能無法使TMS470正常開機和工作。

　　此外，如果不使用TMS470內部的振蕩器，而改用外部的參考時脈或外部的振蕩器輸出信號，此時要將1.8V的時脈信號連接到OSCIN腳位，並將OSCOUT腳位保持開路的狀態，如附圖2(b)所示。當然，不同廠牌的晶片的時脈來源之連接模式不盡相同，硬體工程師事先應仔細查閱它們的技術手冊。

　　HET是一種先進的智能型定時器，它為實時的應用提供精確的計時功能。此定時器是由軟體控制的，使用精簡的指令集、特殊的微電路架構、I/O端口。它可以應用於數據比較、采集，或當成GPIO，尤其適用於對多個傳感器(sensor)的輸入數據做比較，或輸出複雜的和精確的時間脈波(如︰PWM脈波)來驅動起動器(actuator)。
HET的周邊具有”XOR─分享”的功能，此功能可以讓兩相鄰的HET通道被XOR在一起，和HET的標準輸出脈波相比，這能夠輸出更小的脈波信號。

　　圖2是TMS470的內存映像位址。為了讓使用者可以為FLASH、RAM、HET RAM尋址，TMS470有提供“內存選擇”(memory selection)的功能。每一個“內存選擇”具有它自己的“內存基本位址緩存器(memory base address register)”─MFBAHRx和MFBALRx(分別是高位和低位元)，用來定義各個內存區塊的起始(基本)位址、區塊大小和保護模式。每一個“內存選擇”的基本位址是透過緩存器來設定的，它們應該要符合附圖3中的映像位址之邊界值─必須是區塊大小的整數倍。圖4是TMS470的“內存選擇”的分發情形。

　　MibADC接受一個類比信號，並將它轉換成一個10-bit的數字信號。MibADC具有兩個模式︰相容vs.緩沖模式。在兼容模式中，TMS470的“程式模型”(programmer's model)和TMS470的ADC模塊兼容，而且MibADC的數字輸出是儲存在“數字輸出緩存器”(digital result register)中；“程式模型”包含︰緩存器、尋址模式(addressing mode)和中斷。兼容模式能讓ADC的程式設計工作變得比較容易，因為只要直接讀取數字輸出緩存器即可取得轉換後的數字數據。在緩沖模式中，數字元輸出緩存器被3個FIFO緩沖存儲器取代─分別表示不同的轉換群組(事件、群組1、群組2)。在兼容模式中，MibADC的FIFO是被“中斷服務例程(ISR)”讀取。

Philips的LPC2214
　　它的CPU核心是16/32-bit ARM7TDMI-S，S是“可合成”(synthesizable)的意思，可讓SoC設計業者能將ARM7TDMI核心快速地和靈活地與其它IP合成。LPC2214的主要特性如下︰

　　內建有256 Kbytes的FLASH、16 Kbytes的SRAM，工作速率60 MHz。128-bit的“內存加速模塊”(memory accelerator module；MAM)，能使CPU快速攫取到(prefetch)下一個ARM指令，因此，執行速率可以達到60 MHz。

　　透過晶片內的開機加載軟體(boot loader)，可以達到“系統內編程”(In-System Programming；ISP)和“應用中編程” (In-Application Programming；IAP)的功能。

　　所謂”系統內編程”是指利用JTAG和軟體，可以在很短的時間內(約30秒~40秒)，將使用者系統程式寫入FLASH中，或清除FLASH的所有內容；在這過程中，並不需要從主機板中將處理器或FLASH拆除，因此可以節省成本和時間。這有利於產品的開發；或能讓技術人員到客戶端更新軟體或參數，且不需要拆機殼大翻修。目前大多數的MCU、SoC、DSP、FPGA/CPLD都有提供類似的工具和功能。

　　所謂“應用中編程”是指利用兩組FLASH，可以在遠程將韌體版本升級。當將第一組FLASH的程式代碼被清除或被重新寫入時，處理器使用第二組FLASH的程式代碼來執行。當第一組FLASH的寫入作業完成之後，系統可以馬上切換去執行第一組FLASH裡面的程式代碼。這個功能對網路通訊設備而言，是很重要的，因為當韌體版本升級時，這些設備的作業系統是不能停止的。

　　支援EmbeddedICE-RT和Embedded Trace界面，透過RealMonitor軟體可以進行實時除錯。

　　8個通道的10-bit ADC，轉換時間小於2.44μs。

　　2個32-bit定時器(4個采集信道和4個比較信道)，1個PWM單元(6個輸出)、1個實時時脈產生器(real time clock)、1個看門狗定時器。

　　多種序列界面，這包含︰2個UART、1個快速I2C(400 Kbps)、2個SPI。

　　1個向量式中斷控制單元(可設定中斷的優先級和中斷向量的位址)。

　　可設定的外部內存界面，最多可設定4個內存排組(bank)，每排最長16M-bit和8/16/32-bit的數據寬度(因此，支援的最大內存空間是64 MBytes)。

　　最多112個GPIO腳位(5V)。9個外部中斷腳位(邊緣或水準觸發)。

　　內建有PLL，支援的最大CPU時脈為60 MHz。

　　內建有石英振蕩器，工作頻率範圍是1 MHz~30 MHz。

　　兩種低功率模式︰閑置(Idle)和功率下降(Power-down)。

　　透過外部中斷，可以將處於“功率下降模式”的處理器喚醒。

　　為了使功率的利用能夠達到最佳化，可以開啟(enable)或關閉(disable)個別的周邊功能。

　　LPC2214也和TMS470一樣有支援ADC的功能，因此，它們都很適合用來開發數據采集用途的裝置，例如︰條形碼掃描機等。不過，TMS470的MibADC可以支援16個通道，但LPC2214只支援8個通道。

　　其實，LPC2214的PWM的運作原理和定時器一樣。定時器是依照7個比較緩存器(match register)來計算外圍裝置的時脈週期數目，並產生中斷；或當定時器的計數數目達到特定值時，系統就會去執行指定的工作。因為它能夠分別控制上升緣和下降緣的位置，所以應用較廣。例如︰多相(multi-phase)馬達的控制通常需要3個不重迭的(non-overlapped)PWM輸出，分別控制3個脈波寬度和位置。7個比較緩存器能夠提供最多6個單邊(single edge)控制的，或3個雙邊(double edge)控制的PWM輸出脈波。

　　LPC2214的內存映像(圖4)是固定的，在重新映像時，不需要再設計其它複雜的程式代碼，以便在不同的位址區塊執行。其中，CPU中斷向量可以被重新映像，好讓中斷向量能儲存於晶片內的FLASH中(預設值為0x00000000)，或儲存於晶片內的SRAM中。藉由設定MEMMAP緩存器的值，就可以進行重新映射，重新映射完成後，開機碼區塊(boot block)將被搬移(relocate)至晶片內存儲器映像的最上方。

LPC2000系列的SoC都具有下列三種工作模式或開機狀態︰
　　開機加載模式︰被硬體重置啟動，之後，開機加載程式會被執行。開機碼區塊裡的中斷向量會被映像至內存映像(FLASH)的最下方，以便於在開機加載過程，能夠處理例外和中斷請求。

　　使用者FLASH模式︰當開機加載程式發現FLASH裡有使用者程式存在時，而且開機加載程式不需要再執行時(沒有被強製執行)，就進入此模式。(這很像PC的BIOS開機過程，若一直按F1或DEL鍵，就會進入BIOS模式；若不按此鍵，則作業系統會正常運作。)在此模式中，中斷向量不會被映射，仍然位於FLASH的最下方。
　　使用者RAM模式︰被使用者程式啟動。中斷向量被重新映射至SRAM的最下方。

ARM9族群
　　ARM9大約可以達到180MHz~200 MHz的工作速率。因此，它能驅動的周邊裝置比ARM7多，應用範圍也比較廣。下面舉Atmel的AT91RM9200來說明。

Atmel的AT91RM9200
　　它的CPU核心是16/32-bit的ARM920T，其主要功能簡述如下︰

　　內建有16 Kbytes的SRAM和128 Kbytes的ROM。

　　外部匯流排界面(External Bus Interface；EBI)︰可以支援SDRAM、SRAM、“暴量傳輸的(burst)”FLASH(亦即NOR FLASH)、能直接(glueless)和CompactFlash、SmartMedia、NAND FLASH連接。

　　7個外部中斷來源，1個快速中斷來源。

　　4個32-bit可程式I/O控制單元，122個可程式I/O腳位，每個I/O腳位具有輸入變動中斷和”開路泄極”(open-drain)的功能。“開路泄極”是指在晶片內部的MOS FET輸出電路上的泄極沒有連接任何組件(電阻)。通常，它可以用來驅動高電流或高電壓的負載；或者說，多個外部裝置可以和此單一線路做雙向通信。

　　具有20個信道的周邊裝置控制單元(DMA)。

　　4個可程式外部時脈信號。

　　內建2個振蕩器，以及2個PLL。

　　軟體控制的功率最佳化功能。

　　實時時脈產生器具有警報中斷功能。

　　中斷控制單元具有8個不同等級的優先級。能個別屏蔽的向量式中斷來源，可抑制寄生信號對中斷信號的干擾。

　　支援以太MAC 10/100 Base-T、MII或RMII，整合了28-byte的FIFO和專屬的DMA傳收通道。

　　支援USB 2.0(12 Mbps)主機端口(host port)和裝置端口(device port)。主機端口有整合FIFO和專屬的DMA。

　　多媒體記憶卡界面(multimedia card interface；MCI)︰支援自動的通信協議控制、和自動化的數據快速傳輸；與MMC和SD標準兼容，最多可支援2個SD記憶卡。

　　3個同步的序列控制單元(SSC)︰每個傳送器和接收器都具有獨立的時脈和訊包同步信號。支援I2S類比界面，採用分時多任務技術。

　　4個萬用同步/異步接收傳送器(USART)︰可支援RS485、IrDA、數據機(modem)、ISO 7816的T0/T1 Smart Card。

　　主從式序列外圍界面(SPI)︰8到16-bit的可程式數據長度，可以選擇4個外部外圍晶片。

　　2組3-通道、16-bit的定時器/計數器(TC)︰3個外部輸入時脈、每個通道具有2個多用途I/O腳位。能夠產生雙PWM信號。

　　雙線路界面(two-wire interface；TWI)︰支援主控模式(master mode)，支援Atmel所有的雙線路EEPROM。

　　所有數字腳位都支援IEEE 1149.1 JTAG邊界掃描。

　　AT91RM9200算是性能非常強大的SoC，它可以用來開發通信、儲存、控制等產品。由於它的功能很多，所以本文無法逐項詳細說明，在此僅介紹它的USB 2.0主機端口。

　　它的USB 2.0主機端口支援“開放式主機控制單元界面”(Open Host Controller Interface；OHCI) v1.0規格，以及USB v2.0全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)規格的信訊協議。它整合了1個“根部集線器”(root hub)和下游的2個USB傳收器。標準的OHCI USB通訊堆棧驅動程式可以輕易地移植到此架構中，不需要顧慮硬體的兼容問題；可以執行現有全部的USB類別驅動程式，這表示所有標準的USB類別裝置(class device)都能被自動偵測，讓使用者應用。圖5是其內部架構圖。

　　在主機控制單元和主機控制單元驅動程式之間，有兩個通信信道。第一個信道使用主機控制單元內部的作業緩存器組，這個信道的通信對象(到達站)就是主機控制單元。這組緩存器包含了控制、狀態、串行指標(list pointer)緩存器。它們都被映像至系統匯流排(ASB)的映像區域內。其中有一個指標是指向處理器的位址空間─稱為“主機控制單元通訊區域”(Host Controller Communication Area；HCCA)。HCCA正是第二個通信信道。在此信道內，主機控制單元是通信主控(主導)者。HCCA包含一些起始指標(head pointer)，分別指向中斷模式的“端點描述者”(Endpoint Descriptor)串行、已處理完畢的隊列(done queue)，和“訊框起始”(start-of-frame；SOF)所代表的狀態訊息。

　　此界面的基本建構區塊包含︰端點描述者(ED)和傳輸描述者(Transfer Descriptor；TD)。主機控制單元對系統內的每一個端點各別分發一個ED，TD隊列連結至特定的ED上。作業緩存器組、端點描述者和傳輸描述者的關係如圖6所示。

　　雖然有了硬體的USB 2.0主機端口，但是USB的軟體驅動程式仍然是不可或缺的。圖7是它的USB驅動程式架構。USB的數據處理作業是透過下列的通信層完成的︰
　　主機控制單元硬體和序列引擎(serial engine)︰在匯流排上，傳送和接收USB數據。

　　主機控制單元驅動程式︰驅動主機控制單元硬體和處理USB通信協議。

　　USB匯流排驅動程式和集線器驅動程式︰處理USB命令和“列舉”(enumeration)。提供一個硬體的獨立界面。

　　迷你驅動程式(mini driver)︰處理USB裝置特有的命令。不同廠牌的USB裝置可能具有不同功能的特殊命令。

　　類別驅動程式︰處理標準的裝置及其命令。某一標準類別的USB裝置之類別驅動程式都具有共同的特性，或類似的程式代碼和邏輯；例如︰人機界面裝置(HID)的驅動程式。

性能比較分析
　　目前在國外市場上TMS470、LPC2214、AT91RM9200等ARM SoC很受到歡迎。當然，還有其它廠牌的ARM SoC也很受歡迎，譬如︰Samsung、Analog等。雖然在價格上它們不見得是最便宜的，但是由於它們的性能優異、容易應用，所以擁有許多忠實的用戶。

　　表1是這三種ARM SoC的性能比較。在功能上，ARM7當然無法和ARM9相比。不過，在節約功率上，TMS470的0.65 mA(在功率下降模式中)、LPC2214的0.5mA/MHz都優於AT91RM9200的30.4 mA(在待命模式中為3.1 mA)。在產品開發的複雜度方面，AT91RM9200應該是最高的，其次是TMS470，LPC2214比較適合初學人使用(另一種適合初學人使用的是Samsung的S3C4510B)。