418-1 (607626), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Аппараты с крайне высокой ценой (свыше 650 долл.) в основном относятся к категории коммуникаторов и модных, дорогих смартфонов. Кроме того, в этой же нише располагаются клавиатурные КПК Nokia (серия 9300/9500) и Sharp (на базе Linux). Они ориентированы на профессиональных пользователей, которым необходимо самое мощное и сложное устройство и которые готовы за это платить дополнительно.
КПК изнутри
Элементная база КПК и мобильных устройств на сегодня довольно жестко стандартизована. Давно прошли времена, когда в этом сегменте рынка царило разнообразие видов.
История карманных компьютеров началась в середине 1980-х гг. прошлого века с выпуском модели Psion Organiser II, интерес массового рынка этот сегмент привлек несколько позднее, с выпуском модели Newton Message Pad. Фактически до середины 1990-х гг. в этом секторе царило значительное разнообразие схемотехнических решений. Это вполне естественно, учитывая специфику задач и технологические ограничения, существовавшие в то время. Требования предельной миниатюризации в сочетании с жесткими условиями по энергопотреблению вынуждали разработчиков создавать самые невероятные решения, а иногда и идти на непростые компромиссы, скажем, в целях максимального удешевления отказываться от такого, казалось бы, необходимого атрибута, как разъемы для карт памяти.
Разработчики первых КПК были вынуждены практически все создавать с нуля. Это относится не только к разводке плат, конструкции, иногда даже процессоры разрабатывались «под КПК».
Примерами оригинальных системных архитектур того времени могут стать несколько моделей, например Atari Portfolio (настоящий разработчик — DIP Systems, многие, наверное, помнят эту модель по фильму «Тер-минатор-1», где юный Джон Коннор «вскрывает» банкомат именно при помощи этого аппарата), компактный клон IBM PC (правда, не совсем с ним совместимый), построенный на базе МП 80С88 с тактовой частотой 4,9 МГц, оснащался 128-Кбайт ОЗУ и монохромным экраном с разрешением 240x64 пиксел (40x8 знакомест). Небезынтересен и один из исторически первых коммуникаторов AT&T EO Communicator 440/880, оригинальная система, построенная на базе ЦП AT&T Hobbit с тактовой частотой 20/30 МГц (этот ЦП применялся в первых прототипах Newton, кроме того, в его истории есть и другой интересный факт — на нем разрабатывалась операционная система BeOS). В этом процессоре использовалась система команд CRISP (C-machine Rational Instruction Set Processor), сочетавшая в себе производительность RISC-ЦП и компактность программ для CISC. Hobbit был реализован как набор микросхем АТТ92010 (ЦП и контроллер памяти), АТТ92011 (системный контроллер, который обеспечивал взаимодействие с подсистемами питания, контроллером прерываний, занимался выборкой и декодированием команд из памяти и работой с системной шиной), АТТ92012 (контроллер PCMCIA, позволял подключать до четырех плат PCMCIA), ATT92013 (контроллер периферийных устройств, который обеспечивал взаимодействие системной шины Hobbit и 8- или 16-разрядных устройств, подключаемых к шине, совместимой с ISA; до 8 устройств) и т. д. ЦП работал при напряжении 3,3-5 В, при 20 МГц производительность составляла 13,5 MIPS, потребляемая мощность 515 мВт. В целом Hobbit — это законченный комплект для создания сверхпортативных машин. AT&T разработала несколько более мощных моделей Hobbit — 92020S (более быстродействующую), 92020М (в ней только три микросхемы), 92020МХ/92021МХ (две микросхемы, которые обеспечивали функциональность первой модели и более высокую производительность), но на тот момент рынок уже захватил Newton. Еще одна показательная разработка, наглядно иллюстрирующая вынужденную «оригинальности» подхода разработчиков к созданию КПК — Amstrad PenPad 600 (1993 г.). Машина имела три (!) процессора Zilog Z8S180 с тактовой частотой 14,3 МГц. Первый предназначался для работы прикладного ПО, ОС и драйвера сенсорного экрана, второй — для управления энергопотреблением, последний — для системы распознавания рукописного ввода. Машина имела сенсорный монохромный экран с разрешением 320x240, 192 Кбайт памяти (32 Кбайт использовалось для видеоОЗУ, 32 Кбайт — для системы распознавания, 128 Кбайт — пользовательское ОЗУ). Подобных систем было множество: Casio Zoomer, GRiD/AST 2390, Sony Magic Link, Sharp Zaurus... Apple Newton MessagePad стал новым этапом в истории развития КПК.
Ростки унификации
После выпуска Newton MessagePad «зоопарк» моделей КПК значительно сократился. Тут сказались и действия Apple по рекламе MessagePad, и общая ситуация на рынке. В некотором смысле Newton стал первой более или менее унифицированной платформой для КПК. На его базе было создано несколько клонов, таких, как Sharp ExpertPad и Motorola Marco (кстати, этот аппарат оснащался встроенным радиомодемом).
Newton MessagePad — первый КПК, в котором применялся ЦП на базе архитектуры ARM (ARM 610 с тактовой частотой 20 МГц), сенсорный ЖК-экран 400x336 пикселов, 4-Мбайт ПЗУ, 640-Кбайт ОЗУ (482 Кбайт которого отводилось для системных нужд, 158 было доступно пользователю), разъем PCMCIA Type II, последовательный и инфракрасный порты. Со временем появились новые модели, но архитектура оставалась общей. Правда, Newton опередил свое время и не принес Apple финансового успеха. В 1998 г. его официально сняли с производства.
В 1996 г. на рынке КПК появился новый лидер — Palm Pilot на ЦП семейства Motorola DragonBall. В первых моделях применялись DragonBall/l6 МГц (МС68328), КПК имели 256-512-Кбайт ОЗУ (512 Кбайт в модели 5000), имелся ЖК-экран с разрешением 160x160 пикселов.
DragonBall оставался платформой для Palm OS более пяти лет, фактически именно Palm во многом стал для Motorola стимулом для развития и совершенствования этой серии ЦП. С каждой новой моделью ЦП появлялся новый Palm, DragonBall EZ (M68EZ328, 16 МГц) — в Palm III, Palm mlOx, Palm Zire; DragonBall VZ (MC68VZ328, 33,1 МГц, на микросхеме интегрирована вся основная периферия, в том числе контроллер цветного ЖК-экрана) — в Palm ml25, m500, ml30, m515, Tungsten W. Был выпущен DragonBall Super VZ, но этот ЦП использовала только Sony (ныне прекратившая производство КПК на базе Palm OS). В 2002 г. Palm объявила о переходе на архитектуру ARM (изначально планировалось использовать ЦП DragonBall MX с ARM-ядром, но в итоге Palm приняла решение перейти на TI ОМАР). Параллельно в сектор мобильных устройств приходит и Microsoft. Примечательно, что первые модели КПК па базе ее платформы Windows СЕ работали на ЦП с совершенно различной архитектурой — Hitachi SH3/SH4, MIPS, ARM, причем последний долгое время практически не использовался. В клавиатурных моделях класса HandHeld PC и в компактных Palm-Size PC чаще встречались MIPS SH3. Но затем с выпуском Compaq iPAQ, построенного на StrongARM, эта архитектура стала набирать популярность и в 2000 г. волевым решением Microsoft в спецификации Windows Powered Pocket PC был оставлен только ARM.
ARM как общий знаменатель
Итак, элементная база КПК и мобильных устройств сегодня в основном унифицирована. В эволюционной борьбе выиграли решения трех поставщиков — Intel, Texas Instruments и Samsung, а многообразие схемотехнических решений свелось к выбору и применению того или иного высокоинтегрированного модуля и подбору компонентов, исходя в основном из цены и, возможно, специфических требований, накладываемых выбранной ОС. Все они построены на архитектуре ARM.
ARM: генезис
В 1985 г. английская компания Acorn Computer Group приступила к созданию RISC-процессора. Эта фирма занималась разработкой персональных компьютеров, которые пользовались популярностью в Англии. Машины были весьма интересные: уже тогда они имели графический интерфейс, многозадачный режим работы, весьма стройную архитектуру. Необходимость в собственном ЦП была связана с требованиями роста и развития, компании было необходимо конкурировать как с многочисленными ПК других изготовителей, так и с IBM PC (в Англии его победа была не столь быстрой и триумфальной, как в США).
До этого момента Acorn разрабатывала и делала все самостоятельно, от процессоров и системных плат до ОС и прикладного ПО. Но тут руководство приняло решение отойти от привычной практики, и Acorn направила в Intel запрос на лицензирование ядра ЦП i80286 — по тем временам новинки. Однако Intel не согласилась:
«Мы продаем процессоры, а не ядра». Acorn была вынуждена искать другие решения. В то время выбор огранивался кристаллами National 16032 и Motorola 68000, причем оба ЦП разработчики забраковали. Они плохо вписывались в архитектуру, были сложны, обеспечивали плохое время реакции на прерывания и т. п. Последнее стало основной причиной отказа от них, поскольку для Acorn скорость обработки прерываний была одним из критичных параметров, определявших «отзывчивость» системы. В итоге принимается решение самостоятельно разрабатывать новый ЦП.
Ресурсы скромной фирмы были несравнимы с возможностями лидеров полупроводниковой индустрии. И решение о реализации системы на базе архитектуры RISC, в то время набиравшей популярность, но еще относительно новой, в значительной степени было обусловлено именно недостатком ресурсов. RISC-процессор был технологически проще, позволял добиться значительной вычислительной мощности, хорошего времени реакции на прерывания, а значит, и времени отклика системы и т. д. Началась разработка (хотя даже сами разработчики считали свое занятие сумасшествием), в октябре 1983 г. был готов первый прототип и ряд микросхем сопровождения (видеоконтроллер, контроллер ввода-вывода, память и пр.). ЦП получил название ARM (от Acorn RISC Machine), имел тактовую частоту 8 МГц и более высокое быстродействие, чем тогдашний 80286. Правда, начальная версия в производство не пошла, в реальных системах использовался ARM 2.
В течение нескольких лет дела Acorn и ARM шли довольно вяло, под натиском х86 легендарные компьютеры «восьмибитной» эры один за другим сдавали позиции. Acorn держался долго, но... После продолжительного периода неудач и финансовых неурядиц Acorn RISC Machine была реорганизована в ARM Limited, которая оказалась более успешной, чем ее прародитель. ARM начала лицензировать технологические решения, в том числе ядро ЦП. И именно эта стратегия принесла ей успех. Сегодня ARM Ltd. — один из крупнейших «бесфабричных» разработчиков микропроцессорных архитектур. Лицензии на ядро ARM сейчас имеет практически любая более или менее крупная компания и даже некоторые конкуренты ARM (в том числе и Intel).
ARM: эволюция
В 1991 г. был создан ARM6 (вариантов ARM4 и ARM5 не было по маркетинговым соображениям). ARM 610 стал основой знаменитого Apple Newton MessagePad (до того Apple подумывала также о ЦП AT&T Hobbit). Этот ЦП обеспечивал достаточное быстродействие и был немного сложнее предшественников (35 тыс. транзисторов против 30 тыс. в ARM3), что позволяло удешевить производство на полупроводниковых заводах того времени.
В то же время появилась принятая и сегодня схема обозначений: ARM6 — собственно ядро, ARM60 — целостный ЦП, ARM610 — более развитые модификации ЦП с кэш-памятью, остальные цифры в номере означают наличие той или иной периферии, буквы — те или иные расширения системы команд.
Сегодня ARM предлагает широкую номенклатуру микропроцессорных ядер, архитектурных расширений, инструментальных средств и т. п. Если подходить к вопросу строго, то нужно заметить, что «процессора ARM» как такового не существует. ARM — это название архитектуры. Компания-разработчик продает ядро ЦП, оформленное либо в виде программы на языке Verilog (синтезируемые ядра), либо принципиальной схемы, либо в виде топологической макроячейки. Кроме ЦП предлагается целый ряд других решений, в частности библиотека макроячеек, реализующих стандартную периферию (PowerCell), а также разнообразные дополнительные технологии.
Модельный ряд ядер ARM развивался весьма интенсивно. В номенклатуре ядер ARM место младшего занимает семейство ARM7 Thumb, оно обеспечивает производительность около 130 MIPS, очень компактно (при проектных нормах 180 нм модификация ARM7TDMI занимает всего 0,59 мм2), удельное энергопотребление 0,25 мВт/МГц. Существуют также синтезируемые ядра ARM7TDMI-S и ARM7EJ-S, отличающиеся наличием в системе команд DSP-инструкций и средств акселерации работы виртуальной машины Java (Jazelle). ARM720T оснащается полнофункциональным модулем управления памятью (MMU, размер страницы 4-64 Кбайт), а ARM740T — упрощенным (MPU, без режима трансляции адресов). Оба ЦП имеют кэш-память (8 Кбайт).
В феврале 1996 г. DEC в сотрудничестве с ARM разработала первый ЦП серии StrongARM (SA-110) с пятиступенчатым конвейером, пятипортовым файлом регистров, блоком умножения и т. д., его энергопотребление примерно 1 Вт при тактовой частоте до 233 МГц.
ARM8 — в известной мере переходная модель, разработанная «по следам» совместного с DEC проекта StrongARM, довольно быстро сменившаяся ARM9 (с гарвардской шиной, буфером записи, гибкой схемой защиты памяти). Серия ARM9 Thumb создавалась для портативных устройств со значительными требованиями к быстродействию, производительность ядра достигает 220 MIPS, удельное потребление 0,3 мВт/МГц. В серии имеется несколько модификаций (в том числе ARM920T, ARM922T и ARM940T) с раздельными кэшами команд и данных (16/16, 8/8 и 4/4 Кбайт соответственно). Модификации ARM920T и ARM922T оснащаются MMU. В этой же серии существует семейство ядер ARM9E-S Thumb с DSP-расширениями системы команд и дополнительными средствами, повышающими быстродействие при обработке медиа-кода (в частности, умножитель-накопитель, в ЦП может быть предусмотрен математический сопроцессор VFP9-S, обеспечивающий выполнение операции с плавающей точкой над данными двойной точности). Емкость кэша от 1 Мбайт в ARM946E-S до 4-128 Кбайт в ARM926EJ-S.
Серия ARM10 Thumb ориентирована на 110-нм технологический процесс. Быстродействие ЦП этой серии достигает 700 MIPS при сохранении удельного потребления ARM9. В ядре используются 64-разрядные шины адреса и данных, имеются модули управления памятью команд и данных, в ядро может быть включен математический сопроцессор и т. д.
ARM 11 привнес рост производительности (до 1200 Dhrystone MIPS), еще более мощные средства кодирования и декодирования с акцентом на операции, свойственные MPEG-4, возможность роста тактовых частот за пределы 1 ГГц, улучшенные возможности организации многоядерных конфигураций и т. д.
Кроме процессорных ядер, существует несколько версий самой архитектуры ARM. Об этом следует помнить, поскольку нумерация ядер и архитектур не совпадает (например, в наиболее мощном на сегодня ядре ARM11 реализована система команд ARMv6).
Самая старая из существующих сейчас архитектур — ARMv4, она используется, например, в популярных ЦП StrongARM. ARN\v1 предполагает работу с 32-разрядными операндами в 32-разрядном адресном пространстве. ARMv4T — то же, но с добавлением набора инструкций Thumb (команды Thumb транслируются в их 32-разрядные аналоги). ARMv5 реализована в процессорах Intel XScale. Версия ARMv5TE стала первой, где реализованы DSP-расширения ARM, ARMv5TEJ — то же, но с добавлением команд акселерации Java (Jazelle). ARMv6 была серьезно доработана: появились средства работы с потоковыми данными (SIMD), Thumb-2 TrustZone. Архитектура ARMv7 ввела понятие «процессорных профилей»: «профиль А» определял требования к ЦП для полномасштабных ОС со сложной логикой работы с виртуальной памятью и прикладным ПО, «R» — для систем реального времени, «М» — для микроконтроллеров.
ARM inside
ARM — 32-разрядная, классическая load/store (в качестве операндов могут использоваться только загруженные в регистры процессора значения) RISC-архитектура. Она исключительно эффективна, обеспечивает высокое быстродействие и минимальные требования к питанию и при этом проста с точки зрения технологического процесса изготовления СБИС. В ранних моделях использовалась классическая архитектура фон Неймана (с общей памятью для данных и машинного кода), в современных моделях используется гарвардская архитектура (с раздельной памятью для кода и данных, как минимум на уровне кэша).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
