Карманные персональные компьютеры

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-экрана, 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.

ОМАР310 и 330 — процессоры для недорогих устройств, в частности, модель 310 использовалась в КПК серии palmOne Zire. OMAP310 — улучшенная версия ОМАР310 с увеличенным быстродействием (на 17%) и сниженным энергопотреблением. Микросхемы сделаны по 130-нм технологии CMOS, интересны тем, что «двухъядерность» в них сводится к расширениям DSP в ЦП общего назначения (фактически это ARM925 с расширениями TI). Идея состоит в том, что создатель устройства сможет разрабатывать для него ПО, которое впоследствии без дополнительных затрат использовать на более мощных моделях, сокращая таким образом время выхода продукта на рынок (микросхема совместима с ОМАР1510). Ядро построено на архитектуре ARM9 с поддержкой Thumb (ARM9TDMI), работает на тактовой частоте до 175 МГц (новейшие версии), имеется 16-Кбайт кэш инструкций и 8-Кбайт данных, модули управления памятью, 192 Мбайт внутренней SRAM, используемой под кадровый буфер, контроллер DMA и т. д. На микросхеме также интегрирован полный набор необходимой периферии: три UART (один — с поддержкой SIR для инфракрасной связи). Обеспечивается возможность организации подключения к беспроводным сетям, имеется интерфейс цифровой камеры и ускоритель двухмерной графики (в модели 331).

Процессор ОМАР850 входит в серию «прикладных коммуникационных» микросхем TI. Он фактически составляет часть набора микросхем TCS3500, предназначенного для создания мощных смартфонов и коммуникаторов, обеспечивает поддержку GSM/GPRS/EDGE, позволяет воспроизводить видеопоток MPEG-4 и Windows Media-video, MP3, работать с картинками высокого разрешения (до 2 Мпиксел) и т. д. Техпроцесс — стандартные для этой серии решений 130 нм, потребляемый ток 10 мкА (в режиме ожидания). Архитектура полноценная, двухпроцессорная, «прикладной» ЦП — ARM926TEJ с тактовой частотой 200 МГц, предусмотрен аппаратный ускоритель Java, набор инструкций для обработки потоковых данных. Реализованы средства сопряжения с беспроводными сетями, аппаратный ускоритель двухмерной графики и криптографический акселератор. Эталонный дизайн TCS3500 предусматривает разведенную плату, реализацию стека протоколов GSM/GPRS/EDGE, инструментарий разработчика.

ОМАР750 — более простая версия этой же платформы, занимающая промежуточное положение между микросхемами серии ОМАР73х. От последней ее отличает большее быстродействие и ряд дополнительных функций.   Роль   ЦП   общего   назначения   выполняет

ARM926, DSP — TMS320C54x. Реализован полноценный GSM/GPRS модем класса 12, поддержка DDR (в  ОМАР73х — только SDRAM), повышена  пропускная способность интерфейса  кадрового буфера. Кроме того, предусмотрены  адаптеры беспроводных сетей, Bluetooth, средства подключения GPS-модулсй и цифровой камеры.

ОМАР730 и 733 — микросхемы для мобильных устройств базового уровня, модель 733 отличается от 730 возможностью работы с памятью до 256 Мбайт (stacked mobile SDRAM). OMAP733 — часть радиочастотного НМС TCS2630, кроме того, на базе микросхем этой же серии построена эталонная платформа для смартфона, разработанная совместно palmOne и TI. Внутренняя структура довольно интересна. В это решение интегрированы ядро прикладного ЦП (ARM926) и модуль обработки сигнала, в котором имеются DSP TMS320C54x и ядро ARM7TDMI. Микросхема оснащается акселератором Java, средствами USB On-Thc-Go и т. п. Процессор компактен, размер кристалла — 12x12 мм (MicroStar BGA).

ОМАР710 — базовая версия платформы для смартфонов, КПК и Интернет-терминалов. В однокристальном варианте имеется модем GSM/GPRS и ЦП ARM925 с некоторыми фирменными расширениями TI. Платформа создавалась как часть радиочастотного НМС TCS2500, программно совместима с ОМАР310.

ОМАР1510 — модель начального уровня из серии высокопроизводительных, очень популярна как среди изготовителей КПК, так и смартфонов/коммуникаторов: достаточно упомянуть такие аппараты, как palmOne Zire/Zire 21, Nokia 7710 (самый экзотический коммуникатор построен на скромной по возможностям микросхеме, впрочем, это ощущается по некоторой его «задумчивости» на операциях, не связанных с обработкой сигнала). Предоставляются все базовые возможности, но и только. Максимальная тактовая частота 132 МГц. На базе этого решения, в частности, построен популярный смартфон Motorola MPx200. Микросхема недорогая и эффективная, изготавливается по 130-нм технологии, содержит ядра DSP TMS320C55x и TI925T ARM9TDMI. Первое функционирует на тактовой частоте до 192 МГц, содержит кэши инструкций и данных (16 и 8 Кбайт соответственно), собственную память (64-Кбайт DARAM, 96-Кбайт SARAM), средства ускорения операций с видео, графикой, смешения цветов и т. д. Максимальная тактовая частота ядра ARM 168 МГц, содержит 16-Кбайт кэш инструкций и 8-Кбайт кэш данных, имеется 196 Кбайт внутренней SRAM (используется как фреймбуфер), MMIJ и т. п. На микросхеме интегрирован богатый комплект периферии, от USB (правда, 1.1, но зато и клиент и хост, с возможностью подключения до трех ведомых устройств) и интерфейса камеры до контроллера дисплея (с DMA) и контролеров карт памяти.