Сравнительный анализ микроконтроллеров с ядром ARM

Параметрический поиск по ARM микроконтроллерам, Вы сможете по заданным параметрам найти нужный МК, а также фирму-поставщика и узнать сколько он стоит

В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разр. микроконтроллеры. Данный вывод сделала маркетинговая компания Semico, которая прогнозирует 2-кратное преобладание емкости рынка 32-разр. микроконтроллеров над 8 и 16-разр. в 2007 году [1]. В связи с этим, целью данной статьи является представить общие тенденции развития одного из самых распространенных 32-разр. ядер ARM и дать сравнительную оценку микроконтроллерам на их основе от наиболее доступных на рынках СНГ производителей.

Обзор архитектуры ARM

Микроконтроллерное ядро ARM было разработано одноименной английской компанией, организованной в 1990 году. Название ARM происходит от "Advanced RISC Machines". Следует заметить, что компания специализируется сугубо на разработке микропроцессорных ядер и периферийных блоков, при этом, не имеет производственных мощностей по выпуску микрокон-троллеров. Компания ARM поставляет свои разработки в электронной форме, на основе которой клиенты конструируют свои собственные микроконтроллеры. Клиентами компании являются свыше 60 компаний-производителей полупроводников, среди которых можно выделить таких популярных производителей на рынке полупроводниковых компонентов стран СНГ, как Altera, Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip (Hynix), Intel, Motorola, National Semiconductor, Philips, ST Microelectronics и Texas Instruments.

В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разр. встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разра-ботчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров.

В настоящее время разработано шесть основных семейств (см. рисунок 1): ARM7™, ARM9™, ARM9E™, ARM10™, ARM11™ и SecurCore™. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale™ и StrongARM®.

Как дополнение к ARM-архитектуре могут интегрироваться несколько расширений:

• Thumb® - 16-разр. набор инструкций, улучшающий эффективность использования памяти программ;
• DSP - набор арифметических инструкций для цифровой обработки сигналов;
• Jazelle™ - расширение для аппаратного непосредственного исполнения Java-инструкций;
• Media - расширение для 2-4-кратного увеличения скорости обработки аудио и видео сигналов.

Рисунок 1. Процессорные ядра ARM

Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребле-ние 1 мкВт/МГц. В зависимости от назначения ARM-процессоры разделяются на три группы (см. рисунок 2):

• Процессоры для операционных систем с открытой платформой в приложениях беспроводной связи, обработки изображений и пользовательской электронике.
• Процессоры для встраиваемых операционных систем реального времени для запоминающих устройств, промышленных, авто-мобильных и сетевых приложений.
• Система защиты данных для смарт-карт и SIM-карт.

Перспективность ядра ARM становится очевидной после революционного анонса компании Atmel на конференции раз-работчиков ARM-микроконтроллеров, которая состоялась в Санта Клара (США) в октябре 2004 года [2]. Суть анонса заключалась в намерении компании Atmel выпускать 32-разр. микроконтроллеры AT91SAM7S по цене 8-разрядных, нацеливая 8-разр. приложения на расширение функциональных возможностей по обработке информации, сохраняя при этом их конкурентоспособную стоимость на прежнем уровне.

Набор инструкций Thumb

32-разр. ARM-процессоры поддерживают предшествующие 16-разр. разработки за счет поддержки набора инструк-ций Thumb. Использование 16-разр. инструкций позволяет сэкономить до 35% памяти по сравнению с эквивалентным 32-разр. кодом, при этом сохраняя все преимущества 32-разр. системы, например, доступ к памяти с 32-разр. адресным пространством.

Технология SIMD

Технология SIMD (несколько данных в одной инструкции) используется в media-расширении и нацелена на увеличение скорости обработки данных в приложениях, где требуется малое энергопотребление. SIMD-расширения оптимизированы под широкий диапазон программного обеспечения, в т.ч. аудио/видео кодеки, где они позволяют увеличить быстродействие обработки в 4 раза.

Набор инструкций ЦСП (DSP)

Многие приложения предъявляют повышенные требования по быстродействию реально-временной обработки сигналов. Традиционно в таких ситуациях разработчики прибегают к использованию цифрового сигнального процессора (ЦСП), что увеличивает энергопотребление и стоимость, как самой разработки, так и конечного устройства. Для устранения данных недостатков в ряд ARM-процессоров интегрированы инструкции ЦСП, выполняющие 16-разр. и 32-разр. арифметические операции.

Технология Jazelle®

Технология ARM Jazelle адресована для приложений с поддержкой языка программирования Java. Она предлагает уни-кальное сочетание высокой производительности, малой системной стоимости и невысоких запросов к энергопотреблению, что не может быть достигнуто одновременно, если использовать сопроцессор или специализированный Java-процессор.

Технология ARM Jazelle является расширением к 32-разр. RISC-архитектуре, которое позволяет ARM-процессору выполнять Java-код на аппаратном уровне. При этом достигается непревзойденное быстродействие исполнения Java-кода с помощью ARM-архитектуры. Таким образом, разработчики имеют возможность свободно реализовывать Java-приложения, в т.ч. операционные системы и прикладной код, на одном процессоре.

В настоящее время технология Jazelle интегрирована в следующие ARM-процессоры: ARM1176JZ(F)-S, ARM1136J(F)-S, ARM1026EJ-S, ARM926EJ-S и ARM7EJ-S.

Традиционные ARM-процессоры поддерживают 2 набора инструкций: в режиме ARM - 32-разрядные инструкции, а в режиме Thumb наиболее популярные инструкции сжимаются к 16-разр. формату. Технология Jazelle расширяет эту концепцию, добавляя третий набор инструкций Java, который активизируется в новом Java-режиме.

Технология интеллектуального управления энергопотреблением

Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств (например, смарт-фоны, персональные цифровые помощники и аудио/видеоплееры) - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.

Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.

Для облегчения данного процесса разработана технология интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM. Данная технология является сочетанием аппаратных и программных компонентов, которые совместно выполняют динамическое управление напряжением питания ("power scaling").

Сущность метода динамического управления напряжением питания основывается на выражении потребляемой мощности КМОП-процессоров:

где Р- общая потребляемая мощность, С - переключаемая емкость, fc - частота процессора, - напряжение пита-ния, - ток утечки в статическом режиме. Из выражения следует, что для регулировки энергопотребления могут варьироваться частота и напряжение питания.

Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах (PSoC), но не недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.

Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM

В таблице 1 представлена общая сравнительная характеристика ARM-микроконтроллеров наиболее известных и доступ-ных производителей: Analog Device, Atmel, Philips Semiconductors и Texas Instruments, а в таблице 2 более подробно представлены их технические данные.

Таблица 1. Сравнение ARM-микроконтроллеров разных производителей по ключевым признакам

Таблица 2. Технические данные по ARM-микроконтроллерам компаний Atmel, Analog Device, Texas Instruments, Philips Semiconductors

Наименование	Ядро	Корпус	Память		Периферийные устройства						В/В	Макс. ч-та, МГц
			Флэш, кбайт	ОЗУ, кбайт	Тай-мер	АЦП, кан/разр	SPI/У(С)АПП/ I2C	USB Dev/ Host	CAN	Прочее
Микроконтроллеры семейства TMS470 компании Texas Instruments
TMS470R1A64	ARM7TDMI	80 LQFP	64	4	13	8/10	2/2/-	-	2	C2SI	40	48
TMS470R1A128	ARM7TDMI	100 LQFP	128	8	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
TMS470R1A256	ARM7TDMI	100 LQFP	256	12	16	16/10	2/2/-	-	1	C2SI	50	48
TMS470R1A288	ARM7TDMI	100/144 LQFP	288	16	12	12/10	2/2/1	-	2	C2SI, ПДП, EBM, MSM	93	48
TMS470R1A512	ARM7TDMI	144 LQFP	512	32	32	16/10	2/2/-	-	2	ПДП	87	60
TMS470R1A768	ARM7TDMI	144 LQFP	768	48	32	16/10	5/2/-	-	3	ПДП	87	60
TMS470R1A1024	ARM7TDMI	144 LQFP	1024	64	12	12/10	5/2/1	-	2	DMA, EBM, MSM	93	60
Семейство AT91 ARM Thumb компании Atmel
AT91M40800	ARM7TDMI	QFP100	-	8	3		-/2/-			EBI	32	40
AT91R40008	ARM7TDMI	QFP100	-	256	3		-/2/-			EBI	32	70
AT91FR4042	ARM7TDMI	BGA121	512	256	3		-/2/-			EBI	32	70
AT91FR40162	ARM7TDMI	BGA121	2048	256	3		-/2/-			EBI	32	70
AT91M42800A	ARM7TDMI	QFP144 BGA144	-	8	6		2/2/-			EBI, PIT, RTT	54	33
AT91M55800A	ARM7TDMI	QFP176 BGA176	-	8	6	8/10	1/3/-			EBI, RTC, 2х10 р. ЦАП	58	33
AT91RM3400	ARM7TDMI	QFP100	256	96	6	1/4/1	1/-			SSC, PIT, RTC, RTT	63	66
AT91C140	ARM7TDMI	BGA256	1	16	3		1/2/-			EBI, инт. SDRAM, 2xEthernet	48	36
AT91SAM7A1	ARM7TDMI	QFP144	-	4	9	8/10	1/3/-			EBI, 4 ШИМ, CAN	49	40
AT91SAM7A2	ARM7TDMI	QFP176	-	16	10	16/10	1/2/-		4	EBI	57	30
AT91SAM7A3	ARM7TDMI	QFP100	256	32	9	16/10	2/4/1	1/-	1	8 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, MCI	62	60
AT91SAM7S32	ARM7TDMI	QFP48	32	8	3	8/10	1/1/1			4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC	21	55
AT91SAM7S64	ARM7TDMI	QFP64	64	16	3	8/10	1/2/1	1/-		4 ШИМ, , RTT, PIT, RC-ген., SSC	32	55
AT91SAM7S128	ARM7TDMI	QFP64	128	32	3	8/10	1/2/1	1/-		4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC	32	55
AT91SAM7S256	ARM7TDMI	QFP64	256	64	3	8/10	1/2/1	1/-		4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC	32	55
AT91S7X128	ARM7TDMI	QFP100	128	32	3	8/10	1/2/1	1/-	1	4 ШИМ, RTT, PIT, RC-ген., SSC, Ethernet	60	55
AT91RM9200	ARM920T	QFP208 BGA256	128	16	6		1/4/1	1/2		EBI, RTC, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI, Ethernet	94	180
AT91SAM9261	ARM7TDMI	BGA217	32	160	3		3/3/1	1/2		EBI, RTT, PIT, инт.SDRAM, 3xSSC, MCI	96	200
Микроконтроллеры семейства MicroConverter компании Analog Device
ADuC7020	ARM7TDMI	CP-40	62	8		5/12	1/1/2			4 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ	14	45
ADuC7021	ARM7TDMI	CP-40	62	8		8/12	1/1/2			2 x 12р.ЦАП, К, ПЛМ	13	45
ADuC7022	ARM7TDMI	CP-40	62	8		10/12	1/1/2			К, ПЛМ	13	45
ADuC7024	ARM7TDMI	CP-64	62	8		10/12	1/1/2			2 x 12р.ЦАП,3ф. ШИМ, К, ПЛМ	30	45
ADuC7025	ARM7TDMI	CP-64	62	8		12/12	1/1/2			3ф. ШИМ, К, ПЛМ	30	45
ADuC7026	ARM7TDMI	ST-80	62	8		12/12	1/1/2			4 x 12р.ЦАП, 3-ф.ШИМ, К, ПЛМ	40	45
ADuC7027	ARM7TDMI	ST-80	62	8		16/12	1/1/2			3ф. ШИМ, К, ПЛМ	40	45
Микроконтроллеры семейства LPC2000 компании Philips Semiconductors
LPC2104	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	16	4		1/2/1			6 кан. ШИМ	32	60
LPC2105	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	32	4		1/2/1			6 кан. ШИМ	32	60
LPC2106	ARM7TDMI-S	LQFP48	128	64	4		1/2/1			6 кан. ШИМ	32	60
LPC2114	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	46	60
LPC2119	ARM7TDMI-S	LQFP64	128	16	4	4/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	46	60
LPC2124	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	46	60
LPC2129	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	46	60
LPC2194	ARM7TDMI-S	LQFP64	256	16	4	4/10	2/2/1		2	6 кан. ШИМ	46	60
LPC2210	ARM7TDMI-S	LQFP144	-	16	4	8/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	112	60
LPC2212	ARM7TDMI-S	LQFP144	128	16	4	8/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	112	60
LPC2214	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	112	60
LPC2290	ARM7TDMI-S	LQFP144	-	16	4	8/10	2/2/1			6 кан. ШИМ	112	60
LPC2292	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		2	6 кан. ШИМ	112	60
LPC2294	ARM7TDMI-S	LQFP144	256	16	4	8/10	2/2/1		4	6 кан. ШИМ	112	60

Несмотря на использование в большинстве микроконтроллеров общего ядра ARM7TDMI у микроконтроллеров разных производителей вырисовывается довольно таки четкий портрет. Analog Device является бесспорным лидером по аналоговой периферии, имея в своем арсенале 12-разр. АЦП и ЦАП класса 1МГц. В этом направлении заметно отстает Atmel, которая в своих разработках отдельных АЦП уже взяла барьер 2ГГц, а вот интегрировать приличный АЦП в 32-разр. микроконтроллер, так и не смогла. Однако данный недостаток микроконтроллеров Atmel перекрывает их "дружелюбность" (при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера потребуется только подача одного напряжения питания), экономичность, а самое главное низкая стоимость. Среди рассматриваемых микроконтроллеров, микроконтроллеры Atmel - единственные, которые содержат интерфейс USB. Для микроконтроллеров TI характерна избыточная представитель-ность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов. Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) можно назвать золотой серединой по рассматриваемым крите-риям. Отличает их наличие УАПП, выполненного в традициях Philips и который совместим со стандартным УАПП 16C550, а также имеет модемный интерфейс и режим аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips можно найти представителей для расширенного температурного диапазона -40…+105°C.

32-разр. микроконтроллеры с альтернативными ядрами

Когда речь идет о 32-разр. микроконтроллерах несправедливым будет не упомянуть о других 32-разр. альтернативах ядру ARM. В этом плане следует выделить ядро FR компании Fujitsu и М68000/М68300 компании Motorola.

Ядро FR используется в обширном количестве микроконтроллеров (свыше 40), образующих несколько семейств, и имеет 16-разрядный режим набора инструкций для оптимизации использования памяти программ при минимальном ухудшении эф-фективности работы, что идентично ядру ARM. Размер ПЗУ и ОЗУ достигает до 512 кбайт, в зависимости от типа поддерживаются разнообразные стандартные периферийные устройства, в т.ч. 10-разр. АЦП, 12-разр. ШИМ, интерфейс CAN, УАПП и др. Так же, как и в случае с микроконтроллерами ARM, микроконтроллеры на основе ядра FR выделяются общими традициями, которые закладывает разработчик, и которые узнаваемы во всей линейке микроконтроллеров. В случае Fujitsu это аппаратная поддержка эндианизма, аппаратная функция поиска бита, множество каналов однотипных периферийных уст-ройств, вход немаскируемого прерывания. Во множество микроконтроллеров интегрирован довольно приличный 10-разр. АЦП (время преобразования 1,7 мкс) и ЦАП (0,9 мкс). В семействе FRLite поставлен рекорд по удельному энергопотреблению 1мА/МГц. Максимальным быстродействием обладает семейство FR 65Е, у которого тактовая частота достигает 66МГц.

32-разр. микроконтроллеры Motorola характеризуются реализацией из набора стандартных функциональных модулей. В состав микроконтроллеров семейства 68300 входят: 32-разрядный процессор (CPU32), модули внутренней памяти, интер-фейсный модуль системной интеграции (SIM), модуль последовательного интерфейса (QSM), таймерный процессор (TPU) или таймерный модуль (GPT), аналого-цифровой преобразователь (ADC) и ряд других. Между собой модули соединяются посред-ством межмодульной шины. Процессор CPU32, используемый в микроконтроллерах семейства 68300, по своим основным функциям аналогичен 32-разрядному микропроцессору MC68020 семейства 68000. Для использования в системах связи вы-пускаются микроконтроллеры, содержащие модуль коммуникационного RISC-процессора, имеющий набор специальных средств для обмена данными. Такие коммуникационные контроллеры (68360, 68302, 68356) также входят в состав семейства 68300. Особенностью процессора CPU32 является его работа с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса (ад-ресуемая память 16 Мбайт), а основным архитектурным принципом функционирования процессоров семейства 68000 является разделение их ресурсов и возможностей в зависимости от класса решаемых задач. При этом подразумевается выполнение двух классов задач: управление работой самой микропроцессорной системы с помощью системного программного обеспечения (операционной системы - супервизора) и решение прикладных задач пользователя. От этого происходят режимы функционирования: режим супервизора или режим пользователя. В зависимости от режима при выполнении программ разрешается доступ ко всем ресурсам микроконтроллера или их части. В режиме супервизора разрешается выполнение любых команд, реализуемых процессором, и доступ ко всем регистрам. В режиме пользователя запрещается выполнение ряда команд и дос-туп к некоторым регистрам, чтобы ограничить возможности таких изменений состояния системы, которые могут помешать выполнению других программ или нарушить установленный супервизором режим работы процессора. Сильным аргументом в сторону выбора микроконтроллеров Motorola - высокая популярность в свое время семейства M68000 и программная совместимость микроконтроллеров M68000 и более современных M68300, что позволяет использовать существующие программные наработки в новых разработках, тем самым сокращая сроки проектирования.

Выводы

• Несомненным преимуществом ядра ARM является его стандартность, что позволяет использовать программное обеспечение от других совместимых микроконтроллеров, иметь более широкий доступ к средствам для проектирования или более просто осуществлять миграцию между микроконтроллерами.
• Несмотря на использование одного и того же ядра ARM в микроконтроллерах разных производителей, все-таки каждый из них имеет свое лицо, что достигается оригинальной "рецептурой" периферийных устройств и занятие в некоторых из типов периферийных устройств лидерских позиций, например, для Analog Device это цифро-аналоговые преобразователи.
• ARM-ядра имеют представительную номенклатуру и динамику развития, однако, из сравнения следует, что для широких масс доступны в основном микроконтроллеры на основе ядра ARM7TDMI. Объяснить это можно, например, тем, что основ-ная сфера потребления ARM-микроконтроллеров [3] - бытовые, офисные, пользовательские электронные приборы и оборудование, которые, к сожалению, в основном выпускают зарубежные ОЕМ-производители.
• Рынок 32-разрядных микроконтроллеров обладает высокой емкостью, которая будет динамично возрастать в ближай-шие годы, поэтому, нам остается следить за борьбой производителей микроконтроллеров за долю данного рынка, следить за анонсами и успевать осваивать новые технологии.

Литература

1. J. Wilbrink. Facilitation the Migration from 8-bit to 32-bit Microcontrollers/Atmel Corporation -2004.
2. "Atmel Introduces World's First Sub $3 ARM7 Flash Microcontroller", новость компании Atmel от 19.10.04, www.atmel.com.
3. Processor Cores Flyer//Ref: ARM DOI 0111-4/05.03, Issued: May 2003.
4. Материалы сайта www.arm.com

Староверов К.С., к.т.н.,
star@set-micro.com