Сердце мобильного аппарата: всё, что надо знать о процессора

Интересная статья об мобильных процессорах.Автор-Федотов Александр
Источник

А что это — процессор?

Говоря зубодробительным научным языком, процессор — часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, которая отвечает за выполнение основной доли работ по обработке информации — вычислительный процесс. Говоря проще, процессор — это мозг компьютера (коммуникатора, КПК), работать без которого он просто не сможет.
Думаем, сегодня никто не питает иллюзий запустить на коммуникаторе Windows Mobile «программку из-под Windows XP». Мозг обычного компьютера и мозг мобильных устройств — вещи кардинально разные.

Во-первых: процессор компьютера — это отдельный чип, а процессор мобильного телефона — это множество всего интересного: само вычислительное ядро, модули GPRS/GSM, Bluetooth и прочие «фишки» в зависимости от модели. Например, процессор TI OMAP2420 мультимедийного 5 Мп комбайна Nokia N95 состоит из вычислительного ядра (ARM1136, 333 МГц), вспомогательного TI TMS320C55x DSP (220 МГц), 2D/3D графического ускорителя (2 млн полигонов в секунду) и др. И ещё: чипы TI OMAP 750 и TI OMAP 850 построены на одном вычислительном ядре ARM926EJ-S с частотой 200 МГц, но различаются тем, что второй несёт на борту модуль радиосвязи EDGE, тогда как первый довольствуется GPRS.

Во-вторых: архитектура мобильных процессоров не позволяет запускать программы, написанные для x86 чипов. И пусть не смущает частота чипа ARM в 400 МГц, скажем, на новеньком коммуникаторе. По производительности это далеко не Pentium MMX 166 МГц. x86 — типичные представители лагеря CISC-процессоров, со сложными наборами команд, архитектурой и серьезным энергопотреблением.

RISC - благородное дело

Своим появлением RISC-процессоры обязаны ученым из корпорации IBM. Первоначально в процессорах применялся набор команд CISC (Complex Instruction Command Set), т.е. процессор со сложным набором команд. Такой чип должен был понимать большое число команд разной сложности и длины, что, по идее, должно было обеспечивать его гибкость и увеличивать производительность. Так оно и было поначалу, затем же выявили любопытные факты. Оказалось, что функциональные возможности процессоров используются программистами, как правило, не полностью. Виной тому сложность компиляторов — инструментов, с помощью которых программы переводят на машинный язык. Кроме того, практика показала, что многие операции быстрее выполняются с помощью простых команд, нежели сложных, состоящих из нескольких действий.
В результате в начале 80-х годов в США были созданы первые процессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computing), построенные на основе сокращенного (50-100) набора команд. Позднее же на основе RISC создали процессоры ARM и MIPS.

С названьем кратким — ARM

ARM — самая распространенная архитектура среди смартфонов, коммуникаторов, КПК, плееров, приставок и даже научных калькуляторов. Разработчик — британская корпорация ARM, название ее расшифровывается как Advanced RISC Machines. Что интересно, сама компания производством чипов не занимается, в ее задачи входит лишь создание научных разработок и передача лицензий на воплощение их в жизнь сторонним фирмам, таким как Texas Instruments (список и описания процессоров), Samsung, Freescale или Intel (последняя, правда, в середине прошлого года перепродала свои ARM-технологии Marvell).
Компания ARM презентовала свою архитектуру в 1990 году; производителей удалось привлечь следующим: хоть архитектура и не отличается высоким быстродействием, она очень экономична в энергетическом плане, а это как нельзя кстати подходит для портативных решений. Стратегия принесла успех — сегодня процессоры на ядре ARM используются более чем в 75% устройств по всему миру. Существуют, впрочем, и более мощные версии ARM — это, например, семейство микропроцессоров ARM11 (750 МГц, 0,5 Вт). Расширенные возможности по обработке мультимедиа и увеличенная тактовая частота позволяют использовать процессоры этого семейства, помимо вышеупомянутых девайсов, еще и в карманных компьютерах.
---------------------
Технологии процессоров ARM

Набор инструкций Thumb

32-разрядные ARM-процессоры поддерживают предшествующие 16-разрядные разработки за счет поддержки набора инструкций Thumb. Использование 16-разрядных инструкций позволяет сэкономить до 35% памяти по сравнению с эквивалентным 32-разрядным кодом. И при этом сохранить все преимущества 32-разрядной системы — например, доступ к памяти с 32-разрядным адресным пространством.
Intelligent Energy Manager

Технология SIMD

Технология SIMD (несколько данных в одной инструкции) используется в медиа-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. под аудио/видеокодеки, где они позволяют увеличить быстродействие обработки в 4 раза.

Набор инструкций DSP

Многим приложениям необходима высокая скорость обработки сигналов в реальном времени. Традиционно в таких ситуациях разработчики прибегают к использованию цифрового сигнального процессора (DSP), что увеличивает «прожорливость» и стоимость основного процессора. Для устранения данных недостатков в ряде ARM-процессоров интегрированы инструкции DSP, выполняющие 16-разрядные и 32-разрядные арифметические операции.

Технология Jazelle

Технология ARM Jazelle предназначена для приложений с поддержкой языка программирования Java. Она позволяет добиться от процессора сочетания высокой производительности, малой системной стоимости и невысоких запросов к энергопотреблению. Это все не может быть достигнуто одновременно, если использовать сопроцессор или специализированный Java-процессор.

Технология ARM Jazelle позволяет ARM-процессору выполнять Java-код на аппаратном уровне. При этом достигается максимальное быстродействие исполнения Java-кода с помощью ARM-архитектуры. Технология Jazelle — прорыв в мобилостроении: с ее открытием стало возможным широкое использование Java-кода в приложениях и операционных системах для мобильных устройств.

Технология Intelligent Energy Manager (IEM)

Традиционный метод снизить энергопотребление — использовать экономичные режимы работы. Например, «холостой ход» (idle) или «сон» (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Заведует этими процессами технология интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM. Она объединяет аппаратные и программные компоненты, которые совместно выполняют динамическое распределение питания (power scaling).

Дебютировала технология IEM в процессоре коммуникатора Apple iPhone. Заметим, что процессоры ARM, выпущенные ранее, также умеют сбрасывать частоту в режимах простоя, например, чипы TI OMAP 750/850 в смартфонах и коммуникаторах под Windows Mobile.

Технология TrustZone

Аппаратная технология, предназначена для защиты памяти устройства от критических сбоев, вызываемых вирусами и неправильной работе программного обеспечения. Технология может пригодиться для безопасного функционирования систем электронной оплаты и аутенфикации, криптографических нужд.

Технология благодаря новации Secure Monitor позволяет устройству работать в двух режимах: защищённом и обычном. В первом процессор станет приоритетно выполнять подписанные программы, и может проводить действия с подписями, процедуры аутенфикации и осуществлять денежные переводы.
---------------------
Все это, конечно, хорошо, но неплохо бы узнать, в каких конкретно устройствах используются технологии ARM. Сделать это можно зайдя на официальный сайт компании — www.arm.com.Здесь можно обнаружить подробный список КПК, мобильных телефонов и прочих гаджетов, несущих в себе процессор на базе ядра ARM. Это и смартфоны Nokia, HTC, Sony Ericsson, и различные аудиоплееры, в том числе и небезызвестный iPod. В качестве примера возьмем самый, пожалуй, нашумевший на данный момент коммуникатор — Apple iPhone. Он построен на основе четырех семейств ARM: ARM1176, ARM9, ARM926 и ARM7. Основной процессор «яблочника» — Samsung S5L8900 — создан на ядре ARM1176. Ознакомившись с его характеристиками, можно узнать много интересного, например, что здесь впервые появилась функция Intelligent Energy Manager. С ее помощью потребление процессором энергии снижается на 25-50% за счет изменения частоты процессора. Конечно, такая способность процессоров не нова, но благодаря технологии IEM подача энергии на процессор меняется с большей выгодой.
Еще одно устройство, базирующееся на ARM-технологии, — довольно успешный коммуникатор HTC Universal (Qtek 9000). Здесь партнером компании ARM выступает Intel, процессор XScale PXA270 с частотой 520 МГц, установленный в этой модели, создан на базе ядра ARM9E и содержит набор инструкций Wireless MMX, созданных Intel для поддержки мультимедиа-приложений.
--------------------------
Windows CE — это не только Windows Mobile

На КПК и коммуникаторах, построенных на ARM-процессорах, активно используется операционная система Windows Mobile, которая, в свою очередь, построена на ядре Windows CE. Это ядро позволяет использовать операционку не только в «телефоноподобных» устройствах, но и в автомобильных компьютерах или даже в приставках: популярная в свое время Sega Dreamcast «умела» запускать Win CE с компакт-диска. Что интересно, существуют модификации ядра Windows CE и для x86-процессоров. Первоначально эта ОС предназначалась для работы лишь на портативных устройствах, не несущих в себе x86-архитектуры, однако в более поздних версиях Win CE Microsoft решила все же «включить» и поддержку x86 с тем, чтобы расширить «сферу влияния» операционки.
--------------------------
MIPS - мощный, но простой
Полностью MIPS звучит как Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages или «Микропроцессор без блокировок в конвейере». Эта архитектура разработана компанией MIPS Technologies и, аналогично ARM, лицензируется для производства сторонним фирмам — например, AMD, ASUSTeK Computer или Sony. Основная идея MIPS — увеличить тактовую частоту процессора за счет упрощения его внутреннего устройства, а также использования очень длинного конвейера. На заре создания MIPS-архитектуры предполагалось даже отсутствие аппаратной поддержки операций умножения и деления — впрочем, успеха эта идея не нашла, поэтому решено было оставить все «как есть». В итоге получилось неплохое решение для устройств, в которых производительность процессора играет не последнюю роль. Плюс ко всему, MIPS-процессоры отличает низкое энергопотребление. Однако же для выполнения сравнительно сложных инструкций они не приспособлены.
Опять-таки обратимся к примерам, зайдя на официальный сайт MIPS Technologies — www.mips.com. В разделе Customers можно ознакомиться со списком лицензиатов, использующих в своих девайсах технологию MIPS. Вот, в частности, одним из партнеров выступает всем известная компания AMD — ее процессоры Alchemy базируются как раз на MIPS-архитектуре. Впрочем, справедливости ради следует отметить — в прошлом году AMD продала подразделение Alchemy компании Raza Microelectronic. Одно из последних устройств, несущих на своем борту такой процессор с тактовой частотой 500 МГц — медиаплеер Cowon Q5. Учитывая функциональную «начинку» сего чуда плееростроения (а, помимо непосредственно MP3-проигрывателя, Q5 располагает приемником мобильного ТВ, большим сенсорным экраном и ОС Windows CE 5.0 Professional), мощный процессор здесь явно не лишний. Здесь видим, что ядро Windows CE используется не в качестве ОС Windows Mobile на привычном чипе ARM. Еще одна компания-партнер MIPS — японская Sony, использующая архитектуру MIPS в своих игровых приставках: PlayStation, PlayStation2, а также карманной Sony PSP.
Резюме
ARM прочно укрепился в качестве архитектуры процессоров для устройств, которые требуют достойную производительность и скромное энергопотребление. На рынке мобильной связи таких устройств — изрядное количество.
Тем не менее тенденция прослеживается — коммуникаторы, смартфоны, КПК и медиаплееры обзаводятся все новыми функциями, требования к «железу» повышаются. Каков будет расклад на рынке встраиваемых микропроцессоров через пару лет, предсказать трудно.
MIPS сегодня успешно снабжает жадные до производительности гаджеты: Sony PSP и Cowon Q5. Однако ждать, что процессоры MIPS массово появятся в грядущих гаджетах, не стоит. Причина такова: рынком властвуют постоянно развивающиеся платформы, заточенные под ARM: Windows Mobile, Symbian, Palm, Embedded Linux и другие. Определенные колебания мог внести Apple iPhone, если бы он использовал MIPS, но «яблочный» телефон крутит мобильную Mac OS X на 600 МГц чипе ARM от Samsung. Более того, чипам ARM есть куда развиваться — представлены образцы с частотами 800 и даже 1000 МГц.
Зато возможен непредсказуемый ход событий: x86-процессоры благодаря 45-нм техпроцессу и новым технологиям настолько сбавят в размерах и прожорливости, что их можно будет использовать в карманных «зверьках». Все к этому идет. Во-первых, появились UMPC — ноутбуки с сенсорными экранами от 4” до 7”. В UMPC ставят процессоры Intel, AMD и VIA опробованных на настольных ПК и ноутбуках архитектур. Во-вторых, в активе упомянутой троицы компаний есть гибридные процессоры, например, со встроенным северным мостом. AMD так и вообще с 2006-го не скрывает наполеоновских планов — ввести архитектуру гибридного процессора Fusion: ЦПУ + графическое ядро. Буквально на днях в Сети появились сведения, подтверждающие серьезность AMD: якобы компания подписала контракт на выпуск этой зимой партии неких Fusion с тайваньским заводом TSMC.В какую бы сторону прогресс ни наметился, а в ближайшие лет пять чипы ARM не дадут о себе забыть