Долой кулера!

 

Миниатюрные ПК содержат те же устройства, что и привычно используемые нами в офисе. Карманный офис при меньшем энергопотреблении по функциональности и техническим показателям конкурирует с традиционным. Процессор такого ПК также должен быть миниатюрным, быстрым и экономичным. Мощные микропроцессоры, ощетинившиеся радиаторами теплоотводов, обдуваемые вентиляторами, в мобильный телефон или карманный компьютер не вмонтируешь. ЦП ряда Mobile Pentium II/III или Celeron приемлемы для ноутбуков, но в карманных и ручных компьютерах их использовать нельзя. В миниатюрных ПК и интеллектуальных устройствах нашли применение встроенные процессоры. Встроенные процессоры (ВП), или микроконтроллеры для мобильных устройств отличаются от микропроцессоров для настольных ПК следующими показателями:

  • низкой потребляемой мощностью. Основная характеристика, которой, прежде всего, руководствуются разработчики встроенных процессоров, является отношение производительность/мощность (MIPS/Вт). Использование в микросистемах теплоотвода — кулера, недопустимо;
  • минимально возможной ценой при реализации функций для конкретных приложений (игровых приставок, миниатюрных и сверхминиатюрных компьютеров, сотовых телефонов и различного рода коммуникаторов для автомобильных систем, телевизионных приставок, цифровых DVD-видеодисков, модемов, цифровых видеокамер и т. д.);
  • наличием большого числа встроенных портов для подключения периферийных устройств;
  • интеграцией в кристалл элементов подсистемы памяти (ОЗУ, Flash, RTC CMOS RAM), а также периферийной шины и некоторых внешних устройств;
  • наличием специализированных, разработанных для конкретного применения микросхем ASIC (Applications Specific Integrated Circuit) и микросхем, ориентированных на выполнение узкого класса задач ASSP (Application Specific Standard Products). Как правило, большинство ВП проектируются для специфического сегмента миниатюрных устройств, а уж затем некоторые из них дорабатываются для более широкого внедрения.

8-, 16- или 32-разрядные микроконтроллеры нашли применение во многих областях нашей жизнедеятельности от бытовых приборов (стиральных машин и кухонных комбайнов) до компьютеров. Показатели производительности современных ВП приближаются к характеристикам микропроцессоров для настольных систем. Трудно предположить, какие черты обретут эти электронные компоненты через пять – десять лет. В этой связи примечателен тот факт, что один из лидеров компьютерной индустрии Intel все ближе “подтягивается” к этому “лакомому куску” — очень перспективной отрасли компьютерного производства. Не исключено, что в недалеком будущем некий “мобильный интегральный гибрид” будет укомплектован и персональным компьютером, и компонентами мобильного офиса, и приставкой для игр, и сотовым телефоном, и цифровой камерой, и всякой-всячиной.

 

Какие из микроконтроллеров можно обнаружить в наших мобильных устройствах? Это, например Motorola Coldfire, Hitachi SuperH, Intel StrongARM.

У последнего из них интересная история…

 

Там, где “водятся” ARMы

 

Широко известная своими микроприборами фирма ARM (Advanced RISC Machines Ltd.) (www.arm.com) не входит в состав “элитной пятерки” поставщиков электронных компонентов на компьютерный рынок. Тем не менее, следует напомнить, что ARM одной из первых в апреле 1985 г явила миру RISC-микропроцессор для коммерческого использования. Она также широко известна специалистам как создатель интернет-технологий и RISC-процессоров для сетевых компьютеров. Разработки ARM по лицензионным соглашениям внедряют в свои изделия такие авторитетные корпорации, как: Oki, Alkatel, Yamaha, Rockwell, Philips, Sony, Hyundai, Seiko Epson, HP, DEC, 3Com и др. В 1994 г. ARM воплотила в жизнь одну из своих интереснейших работ ¾ базовую архитектуру ARM для RISC-микроконтроллеров, предназначенных для интеллектуальных устройств широкого применения с малым энергопотреблением. В 1997 г. между DEC и ARM было заключено соглашение на совместные работы по созданию модернизированного RISC-микроконтроллера StrongARM.

 

Сюжет развития событий, связанных с производством процессоров на ARM-совместимом ядре имел неожиданное продолжение. В этом же 1997 г. DEC вступает в “сговор” с Intel и отдает ей все права на производство электронных компонентов технологии StrongARM. Уже в следующем году, Intel начала развернутое наступление на новом для себя, очень перспективном “фронте”,— рынке миниатюрных компьютеров. Она приступила к производству RISC-микроконтроллеров с ядром Intel StrongARM (технологии SA-1), которые, практически, дублировали ядро ВП Digital StrongARM. Intel в спешном порядке начала финансовые инъекции в новые разработки технологии ядра RISC-микроконтроллеров SA-2 следующего поколения. Если DEC и продолжала вялотекущую деятельность на этом поприще, а также вела работы по усовершенствованию своего RISC-процессора Alpha, то ARM предприняла энергичные меры, острие которых было нацелено на попытки Intel полностью овладеть ситуацией.

 

В конце 1998 г. ARM предложила конкурирующую с Intel SA-2 технологию производства RISC-микроконтроллеров следующего поколения ARM10, с ядром полностью совместимым с ядром микропроцессоров предыдущих поколений ARM.

К слову, термин “ядро микропроцессора” означает эталонную архитектуру, в рамках которой могут быть разработаны и внедрены заказные специализированные микросхемы ASIC и ASSP. При разработке заказных микросхем учитывается полнота функциональных возможностей ядра. К ядру микроконтроллера кроме функции процессора добавляются и другие функции, например, подсистемы прерываний, ввода-вывода и т. д.

 

К моменту написания статьи Intel представила чипсет нового поколения архитектуры Intel XScale. Чем ответит ARM?

 

Для чего нужны ARM-ы?

 

Технология ARM создавалась для применения во встроенных системах (embedded system). Встроенные процессоры технологии ARM используются в малогабаритных энергоэкономичных, интеллектуальных устройствах, как правило, с батарейным питанием. Большой удельный вес в этом ряду занимает оборудование для видеоконференций, систем интерактивного цифрового видео, телекоммуникационных систем, сетевых компьютеров и принтеров. В течение ряда лет функциональные возможности микроустройств — PDA, органайзеров, интеллектуальных сотовых телефонов, многофункциональных пэйджеров, систем сбора данных, карманных измерительных устройств — возросли, в чем несомненная заслуга встроенных процессоров.

В табл. 1 представлены показатели некоторых процессоров, построенных на технологии ARM.

 

 

Процессоры с архитектурой ядра ARM отличаются от процессоров архитектуры P6 (Pentium) принципиально иным подходом к организации формата команд, их предварительной обработке и связанных с этим изменениями (сокращениями) аппаратных модулей микроконтроллера.

 

RISC — это не CISC

 

Обработка процессором ограниченного набора команд RISC (Reduced Instruction Set Computing) отличается от обработки полного набора команд CISC (Complex Instruction Set Computing).

 

Работа CISC-процессора с архитектурой P6 кратко рассмотрена в журнале К+П (см. №10 за 2000 г. статья “Процессор под микроскопом”). Маломощный “холодный” встроенный процессор с ядром ARM не сравним с “пышущими жаром” RISC-процессорами из компьютеров рабочих станций, сетевых серверов и т. п.

 

Архитектуры RISC-процессоров различных фирм во многом схожи. RISC-подход состоит в том, что наиболее часто выполняемые инструкции унифицированы и имеют очень простой вид, а недостающие для работы с ними компоненты хранятся в памяти микрокоманд. Таким образом, команда очень быстро “проскакивает” фазу декодирования. Операционному модулю процессора достаточно лишь иметь “след” команды, который дает толчок быстрому ее выполнению в пределах кристалла. Достижение большей производительности требует “жертв”: при тех же функциональных возможностях, число команд у RISC-процессоров больше, чем у CISC.

 

Для управления периферийными устройствами, расположенными за пределами ядра, предназначены специальные команды. Очень немногочисленный класс команд имеет вид, подобный CISC-инструкциям.

 

Во встроенном процессоре ARM10 команды с плавающей точкой выполняются интегрированным модулем сопроцессора VFP (Vector Floating Point). VFP построен по векторной архитектуре SIMD (Single Instruction, Multiple Data), позволяющей одиночной команде работать с одним потоком команд и множеством потоков данных. Эта технология широко используется для ускорения мультимедиа-приложений.

 

RISC-команды выполняются в несколько этапов, аналогично процессорам CISC:

  • выборки команды и предсказания переходов;
  • декодирования команды и чтения регистров;
  • выполнения команды, вычисления адреса;
  • обращения к ОЗУ;
  • записи в регистры.

В отличие от CISC-процессоров, RISC-процессоры позволяют команде быстрее пройти все этапы обработки. С чем это связано?

  • команды имеют простой формат, быстрее декодируются. Для работы с такими командами можно использовать меньшее число аппаратных узлов, чем для работы с CISC-инструкциями;
  • унификация базового комплекта команд позволяет спроектировать менее емкий и громоздкий операционный узел и блок микропрограммного управления. За счет этого часть кристалла занимают другие узлы, позволяющие ускорить обмен между модулями процессора;
  • более широко используются режимы адресации обмена данными между РОН процессора. Это позволяет сократить число тактов, расходуемых на пересылку данных между ОЗУ и встроенным процессором;
  • более развитые узлы конвейерной обработки способствуют повышению скорости выполнения команд.

ARM-архитектура основана на обработке 32-разрядного базового комплекта команд. Они эффективней и производительней, чем команды, построенные на основе 16-разрядного кода. Вместе с тем, эти инструкции требуют для декодирования и выполнения мобилизацию большего числа ресурсов ядра. Это может привести к росту энергопотребления. Некоторые фирмы разработали технологии, позволяющие минимизировать “фактор высокой разрядности (малой плотности) кода команды”. Например, Hitachi использует для работы процессорного ядра архитектуры SuperH не 32-, а 16-разрядные команды фиксированной длины. Корпорация ARM внедрила технологию Thumb. Смысл ее заключается в том, что базовый комплект 32-разрядных команд дополнен “сжатыми” вдвое 16-разрядными командами. 36 команд технологии Thumb могут быть использованы программистами в тех случаях, когда применение 32-разрядных инструкций снижает производительность вычислительной работы микроконтроллера. Таким образом, ядро ARM7 располагает смешанным механизмом обработки двух систем команд. 16-разрядные Thumb-коды в микроконтроллере дополнительно декодируются, “приводятся” к виду стандартных 32-разрядных команд и выполняются.

 

В отличие от “классической” ARM-архитектуры, встроенные процессоры Strong ARM (SA) не являются Thumb-ориентированными.

 

Встроенные процессоры SA полностью совместимы с ядром ARM. Они содержат: операционный блок, разделенную кэш-память, блок управления памятью, миникэш 512 кб для предварительного хранения данных. Модуль управления памятью и портами PCMCIA осуществляет взаимодействие с ОЗУ (SDRAM), Flash, а также портами PCMCIA (тип 1, 2). Модуль управления системой включает: 28 портов ввода-вывода с линиями запросов на прерывания, часы реального времени, схемы автозащиты, интервальные таймеры, контроллер управления питанием, контроллер прерываний, два осциллятора и контроллер сброса. Модуль управления периферией содержит: 6-ти канальный контроллер ПДП, контроллер управления LCD-монитором, контроллер синхронного порта, 16550-совместимый контроллер асинхронного приемопередатчика, инфракрасный порт, интерфейс USB, интерфейс кодека.

 

Главной особенностью семейства RISC-микроконтроллеров последних поколений ARM10 Thumb, а также SA является наличие в них модулей векторного сопроцессора с плавающей точкой и процессора цифровой обработки сигналов DSP (Digital Signal Processing). Это позволяет расширить сферу их применения в более универсальных и малогабаритных устройствах.

 

Все в одном…

 

Встроенные процессоры с ядром ARM относятся к классу приборов типа система на кристалле SoC (System on Chip). В приборы подобного типа интегрируются модули: ЦП, ОЗУ, Flash-памяти, периферийных устройств и портов, контроллеров внешних устройств и т. п. Интеграция модулей в чип усложняет и удорожает их. Вместе с тем, встроенные элементы сокращают мощность рассеяния, снижают электромагнитные наводки и избавляют разработчиков от контактов с поставщиками электронных компонентов.

 

Существует два варианта использования микроконтроллеров. В первом случае, конструируется универсальный чип микроконтроллера, подходящий для большинства возможных применений. Такие процессоры, поставляемые для системных плат ПК с чипами-компаньонами (сопутствующими микросхемами ввода-вывода), позволяют обеспечить характеристики и показатели, затребованные для той или иной системы. Чипы-компаньоны и встроенные процессоры могут быть заменены, что повышает гибкость системы. В качестве примеров можно привести двухчиповые встроенные системы (см. табл. 2).

 

 

Другой вариант использования встроенных процессоров предполагает применение в системах базового микроконтроллера совместно со специально разработанными под заказчика комплектами чипов ASIC и ASSP. Разработка макроячеек для ASIC и ASSP мало чем отличается от разработки ядер чипов-компаньонов. Для эффективного взаимодействия электронных компонентов, построенных на базе аппаратно-программных ядер, создаются специальные стандартные интерфейсы. Они позволяют, синтезируя версии периферийных устройств, а также имеющееся аппаратно-программное обеспечение осуществить быстрое модульное проектирование всевозможных систем. Одним из таких интерфейсов является шина AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), предложенная для разработки микросистем с ядром ARM.

 

Корпорации-производители средств микроэлектроники (IBM, Acer, Texas Instruments, Alltel и т. д) и кремниевые производства располагают библиотеками аппаратно-программной интеллектуальной собственности (IP) и охотно заключают лицензионные соглашения на использование разработок ядер микроэлектронных приборов в своих интересах. Для широчайшего доступа к физическим библиотекам средств микроэлектроники, сосредоточенным на кремниевых фабриках, предлагается ряд программ, в т. ч. Passport Foundry Program, инициированная фирмой COMPASS Design Automation.

 

Круг задач, решаемых той или иной системой, очерчивается не только посредством готовых к использованию аппаратных ядер, но и программными модулями. Разработкой программных модулей и созданием на их базе библиотек интеллектуальной собственности (IP) занято много корпораций. Например, фирма ARM разрабатывает готовые к применению программные модули — макроячейки (PrimeSell), предназначенные для многократного использования в функциональных узлах различных интеллектуальных контроллеров и электронных приборов. Макроячейки сводят круг проблем по разработке процессора типа SoC не к проработке отдельных модулей, например, контроллеров UART, IrDA, контроллеров мониторов, статической памяти или памяти ОЗУ и т. д., которые сохраняются неизменными, а к конструированию системы в целом.

 

Создание технологии библиотек аппаратно-программных ядер позволяет создать основу стандартизации для систем, построенных на базе встроенных процессоров. Однако конечный результат при разработке подобного типа устройств вытекает из требований проекта. Основополагающими требованиями по-прежнему будут оставаться показатели экономичности. Хуже обстоят дела с выбором стандартной операционной системы. Во встроенных системах чаще всего можно встретить язык Java и ОС Microsoft Windows CE, хотя, на самом деле, предложений хоть отбавляй.

 

Что касается доминирующих платформ ядер встроенных процессоров, то не станет ли для батареечных устройств новая архитектура Intel XScale судьбоносной? Эта архитектура имеет неплохую “родословную”, основанную на ядре ARM с поддержкой, как традиционных RISC-команд, так и Thumb-комплекта. Комплект микросхем этой технологии обработки информации и ввода-вывода Intel IOP303 включает микроконтроллер Intel 80200 и чип-компаньон Intel 80312. Чипсет содержит: DSP-процессор, а также мост для 64-разрядной шины PCI, компоненты управления матрицами независимых дисковых накопителей с избыточностью RAID и серверов-хранилищ данных SAN. Система энергосбережения базируется на технологии Intel Dynamic Voltage Management, позволяющей динамически изменять энергопотребление вариациями частоты и напряжения в зависимости от загруженности работой в диапазоне от 0.1 мВт до 1.6 Вт. Для повышения производительности мультимедийных приложений микросхемы содержат сопроцессор. Область применения чипсетов Intel IOP303 — в инфраструктуре интернет следующего поколения.

 

Примечание:

УПК — управление памятью команд;

УПД — управление памятью данных;

DMA (Direct Memory Access) — контроллер прямого доступа к памяти (ПДП);

RTC (Real Time Clock) — часы реального времени;

Синх. — синхрогенераторы.

2004.04.08
19.03.2009
В IV квартале 2008 г. украинский рынок серверов по сравнению с аналогичным периодом прошлого года сократился в денежном выражении на 34% – до $30 млн (в ценах для конечных пользователей), а за весь календарный год – более чем на 5%, до 132 млн долл.


12.03.2009
4 марта в Киеве компания Telco провела конференцию "Инновационные телекоммуникации", посвященную новым эффективным телекоммуникационным технологиям для решения задач современного бизнеса.


05.03.2009
25 февраля в Киеве компания IBM, при информационной поддержке "1С" и Canonical, провела конференцию "Как сохранить деньги в условиях кризиса?"


26.02.2009
18-19 февраля в Киеве прошел юбилейный съезд ИТ-директоров Украины. Участниками данного мероприятия стали ИТ-директора, ИТ-менеджеры, поставщики ИТ-решений из Киева, Николаева, Днепропетровска, Чернигова и других городов Украины...


19.02.2009
10 февраля в Киеве состоялась пресс-конференция, посвященная итогам деятельности компании "DiaWest – Комп’ютерний світ" в 2008 году.


12.02.2009
С 5 февраля 2009 г. в Киеве начали работу учебные курсы по использованию услуг "электронного предприятия/ учреждения" на базе сети информационно-маркетинговых центров (ИМЦ).


04.02.2009
29 января 2009 года в редакции еженедельника "Computer World/Украина" состоялось награждение победителей акции "Оформи подписку – получи приз!".


29.01.2009
22 января в Киеве компания "МУК" и представительство компании Cisco в Украине провели семинар для партнеров "Обзор продуктов и решений Cisco Small Business"

 

 
 
Copyright © 1997-2008 ИД "Комиздат".