418-1 (Карманные ПК: введение в тему), страница 4

Площадь монтажа ЦП — 13x13 мм, корпус — TF-BGA (294-контактный). Это семейство ЦП предназначалось для высокопроизводительных КПК, правда, готовых устройств с процессорами этого семейства появилось не очень много, поскольку на момент выпуска этой модели КПК с РХА255 еще оставались достаточно новыми и позиционировались как High-End (изготовители делали ставку на беспроводные возможности и большое количество разъемов расширения, а не на вычислительную мощность), а потом появились РХА27х.

XScale PXA27x. Наиболее совершенный на сегодня ЦП серии XScale, находящийся в массовом производстве (кодовое название Bulverde), создавался с учетом накопленного Intel опыта, что и обусловило его популярность. В семействе РХА27х имеется довольно много модификаций.

Процессор обеспечивает высокую степень адаптивности для различных применений, что позволяет строить на его основе как высокопроизводительные high-end КПК, так и относительно недорогие системы. Кроме того, Intel ориентировалась и на применение этого ЦП как базового элемента смартфонов и коммуникаторов, в том числе для сетей третьего поколения (насыщенных мультимедийными данными).

Процессорное ядро имеет семиступенчатый конвейер, 32-Кбайт кэши инструкций и данных, 2-Кбайт мини-кэш. Также предусмотрено 256 Кбайт внутренней памяти SRAM, которая используется, в частности, для хранения и обработки данных в режимах с пониженным энергопотреблением. Тактовая частота ЦП может изменяться в диапазоне 104-624 МГц, напряжение питания ядра — 0,85-1,55 В. Предусматривается возможность работы с четырьмя банками SDRAM (до 512 Мбит, до 104 МГц). В зависимости от модификации ЦП РХА27х выпускаются в разных корпусах: 356-контактном VF-BGA, PXA271 и РХА272 — в 336-контактном FS-CSP. В процессоре может быть интегрирована флэш-память StrataFlash, предусматривается возможность подключения модулей NAND-ППЗУ.

В этой серии Intel реализовала ряд достаточно новых решений, таких, как Mobile SpeedStep и улучшенные средства обработки мультимедиа-данных Wireless ММХ, благодаря которым он оказался в состоянии конкурировать со СБИС, содержащими специализированные ядра DSP (прежде всего речь идет о Texas Instruments).

К числу таких разработок можно отнести и Intel Quick Capture, подсистему ускорения обработки растровой графики, снимаемой с камер и источников звука. Стоит отметить Mobile-интерфейс Scalable Link (Intel MSL), предназначенный для взаимодействия коммуникационных и прикладных ЦП (пропускная способность до 416 Мбит/с) и снижающий нагрузку на шины данных системы.

Кроме того, все микросхемы семейства предоставляют средства поддержки самой разнообразной периферии, в том числе USB Host/Client, USB OTG, SD I/O, карт памяти (ММС/SDCard, Memory Stick), SIM-карт, клавиатур, PCMCIA/CF и т. д. На сегодня это единственная платформа, обеспечивающая приемлемое быстродействие при работе с экранами высокого разрешения (для КПК это 640x480), даже без подключения специализированных микросхем, таких, как NVIDIA GoForce, ATI Imageon или «родной» Intel 2700G.

Функциональность подсистемы Wireless SpeedStep, в общем, очевидна. От стандартных средств снижения энергопотребления, реализованных в ЦП других серий, Wireless SpeedStep отличается наличием новых режимов работы: «глубокий останов», «сон» и «глубокий сон». Идея примерно та же, что и в SpeedStep на ноутбуках, с той лишь разницей, что СБИС, лежащая в основе КПК, предоставляет возможность отключить значительно больше простаивающих в каждый конкретный момент времени блоков.

Intel Quick Capture — подсистема взаимодействия с устройствами, генерирующими потоки медиа-данных, прежде всего с камерами и источниками аудиопотоков (цифровые фотоаппараты, запись видео со звуком и т. д.). Предусматривается три режима: Quick View (предварительный просмотр изображения), Quick Shot (быстрое кодирование и запись картинки, до 4 Мпиксел) и Quick Video (запись видео).

Wireless ММХ основана на «обычной» ММХ, известной со времен Pentium ММХ. Как известно, в ЦП семейства ARM предусматриваются некоторые средства улучшения производительности для «поточных» программ, требующих обработки значительных объемов однотипных данных, но Intel руководствовалась прежде всего тем, что как система команд ММХ имеет заметно лучшую поддержку. Принципы оптимизации кода и использование этого набора инструкций хорошо знакомы множеству программистов; соответственно можно рассчитывать на появление большого количества оптимизированных для Wireless ММХ программ. Тем не менее заметим, что в реальной жизни этих программ немного, даже разработчики ОС не торопятся оптимизировать низкоуровневые программные модули для работы с WMMX (хотя в ряде случаев используются отдельные алгоритмы из библиотек сопровождения, предоставляемых Intel; как пример можно привести Kaspersky Personal Security для PDA, где, судя по данным разработчика, используется ряд криптоалгоритмов, созданных Intel в рамках программы Wireless Trusted Platform).

Максимальная тактовая частота РХА27х составляет 624 МГц. Это не предел, Intel уже достаточно давно анонсировала возможность «разгона» до 800 МГц и даже 1 ГГц, но в массовое производство такие решения пока не запущены. В реальных КПК используются также ЦП, где тактовая частота ограничена 520, 416 или 312 МГц в зависимости от ценовой ниши устройства (менее скоростные процессоры, естественно, стоят дешевле). При этом тактовая частота может изменяться динамически.

Кроме этих трех семейств, у Intel есть ряд радиотехнических решений. Например, СБИС для смартфонов — PXA800F, высокоинтегрированная «система-на-кристалле» для создания устройств, работающих в сетях GSM/GPRS, построенная на микроархитектуре Intel MSA. Она была совместно разработана Intel и Analog Devices (ADI), обеспечивает функциональность DSP и контроллера на одном ядре, предоставляя некоторые дополнительные возможности, прежде всего улучшенное управление питанием (разумеется, обеспечивает достаточно эффективную обработку медиа-данных). PXA800F построена на ядре XScale, имеет тактовую частоту 312 МГц, 4-Мбайт встроенную флэш-память и 512-Кбайт SRAM, ядро DSP функционирует с тактовой частотой 104 МГц, DSP оснащается 512-Кбайт флэш-память и 64-Кбайт SRAM.

Texas Instruments OMAP

Платформа ОМАР (Open Multimedia Applications Platform), созданная компанией Texas Instruments, используется преимущественно в устройствах с развитыми коммуникационными возможностями: смартфонах и коммуникаторах. В классических КПК она применяется реже, но встречается прежде всего в серии моделей palmOne. Причина популярности платформы TI в «коммуникационном» сегменте рынка мобильных устройств вполне понятна: имея множество наработок в области цифровой обработки сигнала, TI здесь представляется естественным кандидатом на роль поставщика платформы (как-никак изготовители смартфонов тоже заинтересованы в снижении времени выхода на рынок, а значит, удешевлении производства и разработки устройств). Так, например, сегодня TI ОМАР используется в смартфонах и коммуникаторах Nokia. Следует отметить, что относительная (в сравнении с некоторыми конкурентами) маломощность таких микросхем, как 1510, применяемых в высококлассных моделях, подобных Nokia 7710, компенсируется эффективностью Symbian OS. Фактически на достаточно скромных аппаратных средствах эта ОС обеспечивает на большинстве задач примерно ту же субъективную производительность, что и Windows Mobile, функционирующая на значительно более мощных ресурсах.

Что же касается КПК, то здесь TI долгое время предоставляла менее дорогостоящие платформы, чем Intel, что было важно в первую очередь при создании недорогих моделей карманных компьютеров. Когда каждое устройство продается менее чем за 150 долл., оно должно приносить изготовителю максимум прибыли, но при этом отвечать каким-то (не обязательно максимальным) требованиям и ожиданиям конечного пользователя. И TI предоставляла весьма удачное решение. Безусловно, на этой же аппаратной платформе строились и более мощные системы, но скорее как результат глобального соглашения между изготовителем КПК и TI.

TI ОМАР — архитектура, весьма сильно ориентированная на обработку сигнала. Это необязательно сотовая или беспроводная связь, вполне «подойдут» любые медиа-данные, имеющие потоковую природу, в том числе воспроизведение медиа-контента, что актуально для современных конвергентных устройств. Сегодня существует уже второе поколение этой платформы, ОМАР2, но, как видно из таблиц, есть очень много популярных моделей, построенных на первой версии этой архитектуры.

Изначально ОМАР создавалась как платформа, которая позволит сочетать довольно противоречивые требования мобильного рынка: прежде всего необходимость в высокой вычислительной мощности с минимальным энергопотреблением. С этой задачей удалось справиться благодаря созданию комплекса решений, охватывающих высокопроизводительный ЦП (на базе архитектуры ARM), ряд разработок TI в области цифровой обработки сигнала (конкретно DSP серии TI TMS320) и интеграции модулей разделяемой памяти. При этом все компоненты размещены на одном кристалле (решение более чем естественное, если вспомнить о специфике применения, хотя в определенной степени не настолько гибкое, как у соперников). В то же время называть ее «заказной микросхемой» в общепринятом смысле не совсем правомерно, ОМАР предусматривает более развитые возможности «подстройки» под конкретные требования, в частности посредст вом модификации микропрограммных модулей (в то время это был серьезный дополнительный аргумент в пользу этой архитектуры).

Сегодня все распространенные ОС обеспечивают совместимость с ОМАР, включая Symbian, Windows Mobile и Palm OS. Разработка системного ПО ведется стандартными средствами ОС плюс SDK TI или же в пакете Code Composer Studio, который предоставляет полный набор средств разработки ПО для платформы в целом, маскируя ее двойственную RISC/DSP природу.

Преимущества системы, в которой интегрирован отдельный процессор обработки сигнала, очевидны: в конце концов именно к обработке сигнала сводятся практически все функции, требующие сколько-нибудь значительной вычислительной работы в современном КПК. Для большинства стандартных программ излишни ресурсы производительности даже самых маломощных современных ЦП (некоторое исключение составляет мобильное 3D, но это тема отдельного обсуждения). Использование отдельного ЦП позволяет резко повысить вычислительную мощность устройства, сохранив на приемлемом уровне его энергопотребление (также стоит помнить, что ^требования к питанию DSP в перерасчете на удельные единицы значительно ниже, чем у сопоставимого RISC-процессора). Это важно сейчас и будет еще важнее завтра, когда терминалам сотовой связи третьего поколения придется обеспечивать еще и высококачественное видео и аудио, причем все это параллельно (скажем, владелец не захочет прерывать онлайновую игру при поступлении входящего вызова).

Одна из ключевых особенностей ОМАР — возможность извне, посредством достаточно тривиального API (с точки зрения использования разработчиком прикладных программ, незнакомым с особенностями программирования DSP) манипулировать модулями цифровой обработки сигнала. Впрочем, в ряде случаев разработчики программных платформ ограничивают доступ к «мосту» DSP/BIOS (DSP/BIOS Bridge), например, Symbian предоставляет средства прямой работы с этим API только в дорогостоящих Premium-версиях SDK и DDK.

Надо отметить, что также существует ряд бюджетных решений, таких, как ОМАР310, где отдельные возможности DSP реализованы как «расширения» ЦП общего назначения (ARM925/ARM925T).

По данным изготовителя, DSP TMS320C55x обеспечивает примерно трехкратное превосходство в быстродействии над ЦП общего назначения при реализации мультимедиа-алгоритмов. В качестве базы для сравнения использовались ЦП StrongARM и ARM9E, среди тестов были задачи на распаковку JPEG, воспроизведение видеопотока MPEG-4, ряд специфичных для коммуникационных устройств задач (таких, как подавление эха).

В высокопроизводительных моделях ЦП, построенных на базе ОМАР2, это соотношение еще лучше. При этом потребляемая мощность значительно (более чем в два раза) меньше, нежели для ЦП общего назначения.

Архитектура ОМАР объединяет DSP серии С55х и ЦП ARM925T на одной микросхеме. Оба процессора используют кэш-команд, ядра имеют модуль управления памятью. Ядро ОМАР содержит два внешних интерфейса памяти и один порт внутренней памяти. Внешние интерфейсы памяти могут напрямую подключаться к модулям памяти SDRAM при частотах до 100 МГц и к стандартным асинхронным типам памяти (SRAM, Flash). Этот интерфейс обычно используется для организации подсистемы хранения, может быть 16-или 32-разрядным. Порт внутренней памяти обеспечивает прямой доступ к SRAM самой микросхемы и ориентирован на работу в роли буфера (как программного, например, для размещения критичных ко времени функций ОС или хранилища данных, например, видеобуфера). Все интерфейсы независимы и обеспечивают параллельный доступ от любого процессора или устройств с прямым доступом к памяти.

ОМАР также предусматривает DMA-интерфейсы для соединения с периферийными устройствами. Локальная шина — высокоскоростная, двунаправленная, многопользовательская, предоставляет внешнему устройству возможность работать с памятью микросхемы. Такой подход позволяет существенно упростить систему, снижая количество функциональных блоков, обеспечивающих взаимодействие между подсистемами устройства.

Кроме того, в ОМАР интегрирована наиболее распространенная периферия, например, контроллер ЖК-экра-на, универсальные интерфейсы ввода-вывода, UART, имеется также сторожевой таймер. При этом блок DMA прикладного ЦП имеет специализированный канал для пересылки данных из видеопамяти в контроллер ЖК (видеобуфер может размещаться в SDRAM или SRAM).

OMAP-DM270. Процессор для миниатюрных устройств, прежде всего камерофонов (совместно с Sharp TI выпустила эталонный дизайн такого аппарата). Микросхема изготавливается по технологии CMOS со 130-нм проектными нормами, напряжения питания 1,5 В (ядро), 3,3 В (ввод-вывод). Упаковка BGA.

Оснащается двумя ядрами — ARM7TDMI/80 МГц с 8-Кбайт кэшем инструкций и 128-Кбайт интегрированной памятью и DSP TMS320C54x/90 МГц со 128-Кбайт интегрированной памятью. На микросхеме также имеется программируемый блок обработки графики (точнее, любых SIMD-данных) iMX, функционирующий на тактовой частоте 180 МГц, два 8-Кбайт буфера для обработки графики, сопроцессор для обработки мультимедиа-данных. Предусматриваются средства ускорения генерации картинок низкого разрешения (для организации предварительного просмотра фотографий, отснятых камерой) и цифровое масштабирование, а также аппаратный блок предварительной пиксельной обработки. Модуль обеспечивает реализацию функций автофокусировки, настройки баланса белого и экспозиции в реальном времени. OMAP-DM270 поддерживает до 64 Мбайт памяти (120 МГц SDRAM с 32-/16-разрядным интерфейсом), внутреннюю флэш-память (до 16 Мбайт), имеется интерфейс для подключения SDRAM (100 МГц) до 128 Мбайт и стандартных устройств внешней памяти (CompactFlash, SmartMedia, Secure Digital и Memory Stick). Также предусмотрено два UART, 10-бит канал для вывода композитного видео (NTSC/PAL), видеовход, контроллер USB 1.1 и т. д.

Эта микросхема не самая мощная, но обеспечивает заметно лучшее соотношение цены и функциональности, не говоря уже о гибкости, нежели ASIC, применяемые во многих современных камерофонах (не зря даже Samsung, имеющая собственные решения в этой области, приняла решение использовать OMAP-DM270 в новейших устройствах с камерой и жестким диском). Хотя разрешение съемки по нынешним временам может показаться недостаточным, для аппаратов среднего класса эта модель — весьма удачный компромисс.