Взгляд вовнутрь мобильных телефонов, смартфонов и наладонников

Выбор сотового телефона все больше становится похож на выбор домашнего компьютера. На подходе времена, когда, стоя у витрины, уже мало будет сказать "мне трубу с фото и МР3". А с каким процессором? Какой графический ускоритель? Сколько оперативной памяти? Ноутбук, да и только!

Чтобы быть готовым к новым временам, давайте разберемся, что уже есть сегодня. Тогда, быть может, станет яснее, "что день грядущий нам готовит".

Сердцем сотового телефона (как, впрочем, и любого цифрового устройства) является процессор (CPU). И процессор этот должен быть миниатюрным, с большими возможностями и небольшим энергопотреблением. Эволюция телефонных микрочипов не столь заметна, как у их компьютерных собратьев, но это вовсе не означает, что ее нет.

ARM-процессоры

Безусловный лидер в мире КПК и смартфонов сегодня - микроконтроллерное ядро ARM. Архитектура ядра ARM охватывает 75% рынка 32-разрядных встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность ядра обусловлена его стандартностью, что предоставляет вендорам возможность более гибко использовать как свои, так и сторонние программные наработки.

Процессор Intel XScale PXA270

Ядро это было разработано одноименной английской компанией, созданной в 1990 году. Название ARM - аббревиатура от Advanced RISC Machines. Удивительный факт: компания занимается только разработкой чипов и не имеет своих мощностей для их производства! ARM продает свои разработки, как говорится, "на бумаге", а уж вендоры сами "рождают" их на свет. Это не мешает ARM быть властителем телефонных "сердец". Это подтверждают такие гиганты, как Analog Devices, Atmel, Cirrus Logic, Fujitsu, MagnaChip, Hynix, Intel, Motorola, Philips, Samsung, Texas Instruments. Все эти монстры (и множество других) пользуются плодами инженерной мысли одной небольшой компании.

Как и у "десктопных" процессоров, у мобильных есть свои инструкции и технологии. Но если SSE, MMX знают все, то про Jazelle и DSP слыхал далеко не каждый.

Что же, исправим этот пробел.

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

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).

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.

Платформы OMAP и XSCALE

На базе ядра ARM сегодня разрабатывается большинство мобильных процессоров. За примерами далеко ходить не нужно - под рукой есть смартфон Nokia 6630. Вот его и возьмем в качестве образцового пациента.

После долгих блужданий на официальном сайте www.arm.com мы набрели на страничку этого смарта. Там выяснилось, что процессор 6630 сделан на ядре ARM. Но маркировка на чипе другая - Texas Instruments OMAP 1710. Рабочая частота 220 МГц, аппаратная поддержка кодеков MP3 и MPEG-4 - звучит неплохо.

Для сравнения: это всего лишь первое поколение "Пентиумов". Сейчас Texas Instruments разработала уже третье поколение - OMAP 3.

С самого начала ОМАР создавался как платформа, сочетающая в себе высокую производительность и минимальное энергопотребление. Третье ее поколение использует новейшее ядро ARM Cortex-A8, работающее на частоте более 1 ГГц, а энергии ест даже меньше, чем предшественники!

Из основных преимуществ третьего поколения: поддержка кодеков MPEG-4, WMV9, RealVideo, H263, H264, встроенный графический чип для XGA 1024x768 на 24 бита и встроенный же контроллер для жесткого диска (HDD). Есть даже поддержка 12 Мп камеры!

В третьем поколении процессоров от Texas Instruments народился пока только один первенец - OMAP 3430. Скорее всего, увидим мы его в каком-нибудь дорогом смартфоне от Nokia только к концу 2007 года, а то и вовсе в 2008. Зато потом, согласно традиции, устройства на OMAP 3430 пойдут косяком, только успевай покупать.

Все это полеты в облаках. Вернемся на землю и рассмотрим еще одно очень интересное семейство на базе ARM.

В Intel давно еще посчитали рынок КПК и смартфонов весьма перспективным, и создали платформу Intel XScale (кодовое название Bulverde). За основу взяли ядро ARM 5TE, добавив интеловские фишки: технологию энергосбережения Intel Wireless SpeedStep и поддержку трехмерной графики с помощью Intel Wireless MMX.

Получилось очень и очень заманчивое решение. Intel удалось "мобилизовать" свою мультимедийную технологию Intel MMX, с которой она когда-то вырвалась вперед на рынке процессоров для ПК.

Последняя линейка процессоров Intel PXA27x на базе Intel XScale может разгоняться до 624 МГц, имеет поддержку 3D-графики, может обслуживать два 24-битных LCD, не говоря уже про Intel Wireless MMX. Правда, пока он "понимает" камеры с матрицей не более 4 Мп. О доверии к этой платформе можно судить по устройствам, которые гордятся своим "сердцем" на официальном сайте Intel.

Видеоакселераторы: AMD Imageon и NVIDIA GoForce

Чаяния пользователей предугадать несложно. Все хотят больших цветных экранов, качественного звука, быстродействия... Одни производители решают эти задачи путем установки мощного процессора. Другие встраивают графический чип в помощь основному процессору.

Догадываетесь, кто будет поставлять эту помощь? Правильно: ATI Technologies и NVIDIA.

В этом году ATI Technologies влилась в состав AMD, и в данное время они выпускают линейку мобильных графических чипов AMD Imageon. Последние представители этого семейства - Imageon 2380 и 2388 - поддерживают все возможности OpenGL 1.1. Полная поддержка трехмерности - на мобильных телефонах и КПК!

Разумеется, повышенная производительность не могла не сказаться на потреблении электроэнергии. Поэтому в чип встроили революционную технологию PowerPlay. Графический чип динамически переключает режимы мощности (включение/выключение модулей памяти, подстройка частоты и напряжения ядра) в зависимости от вычислительных нагрузок. Весь процесс происходит автоматически и никак не влияет на скорость обработки приложений. Такую архитектуру по достоинству оценила Motorola. Она все чаще встраивает чипы Imageon в новые модели. Качество графики Imageon можно уже сегодня оценить в популярном телефоне Motorola RAZR V3i.

Производитель всеми любимых видеокарт марки GeForce 2380 - компания NVIDIA - тоже не сидит сложа руки. NVIDIA, имея за спиной огромный опыт проектирования видеоускорителей для персональных компьютеров, разработала линейку мобильных чипов NVIDIA GoForce. Одно только созвучное название чипов говорит, что NVIDIA планирует добиться такого же успеха и на мобильном рынке. Последняя разработка NVIDIA - GoForce 5500 - интересна своими трехмерными достижениями в OpenGL. Чип умеет отрисовывать различные мультитекстуры и шейдеры. Потоковое видео и ТВ-программы, воспроизведение DVD, качественный звук 3D Surround, дружба с камерами до 10 Мп - далеко не полный перечень навыков нового ускорителя. NVIDIA тоже разработала для своих чипов GoForce энергосберегающую технологию NVIDIA nPower, которая и укрощает аппетиты микросхемы. Новый чип пока еще не обрел постоянной прописки, а вот его предшественник NVIDIA GoForce 4800 прекрасно себя чувствует в Sony Ericsson W900i.

Тестирование: SPMark04

Но как же узнать обычному пользователю, на что способны нынешние "сердца" смартфонов и КПК? Частота процессора сильно влияет на быстродействие устройства, но это - не единственный определяющий фактор. ПО, наличие дополнительного графического чипа и поддержка энергосберегающих технологий - все это тоже имеет значение.

И здесь, как водится, не обошлось без титана "большой" компьютерной индустрии. Корпорация FutureMark совместно с ATI Technologies, Bitboys, Imagination Technologies/PowerVR, Intel, NeoMagic Corporation и NVIDIA разработала программу SPMark04 для смартфонов. Программа предлагает тест SPBench, который, в свою очередь, содержит тесты на скорость обработки 3D-игр и различные системные тесты.

Нажав в меню программы пункт "Run all tests" (запуск всех тестов), изучаем пакет в действии.

Вниманию предстает сражение вертолетов над красивым горным ландшафтом. В ролике разработчик использует огромное, по меркам смартфонов, количество полигонов и спецэффектов. После "сражения" программа покажет на дисплее мозаику текстур и вращающуюся спираль. Это тестирование на скорость заполнения (FillRate test) и скорость обработки полигонов (3D Polygon Throughput test).

За 3D-тестом следуют менее красочные тесты на 2D и на "офисные" задачи. В 2D-тесте смартфону предлагается подвигать логотип FutureMark, проверить его на скорость конвертирования изображений (JPEG Encoding) и на скорость масштабирования графики (Image Scalling Test).

Офисные тесты зрелищностью не удивят - проверка скорости доступа к телефонной книге, календарю и памяти. Увы, без внимания остались звуковые эффекты и обработка математических операций процессором.

Еще один пункт меню заслуживает особого внимания. Это "System Information", здесь можно почерпнуть достаточно подробную информацию об устройстве.

В таблице 2 сведены результаты проверки нескольких смартфонов под управлением Symbian пакетом SPMark04. Главное: как это все читать?

Довольно просто: чем выше результаты, тем лучше. Все показатели - количество операций в единицу времени. Разумеется, чем их больше - тем производительнее устройство. Даже если какие-либо показатели отсутствуют, по остальным можно составить примерное представление о том, на что способен аппарат.

Например, по величине показателя 2D Image можно косвенно судить о том, насколько качественным будет воспроизведение видео. Если этот показатель от 24 и выше, то потенциально устройство позволяет смотреть видеролики в полноэкранном разрешении. Однако ключевое слово здесь - "потенциально". Качество воспроизведения видео зависит от множества условий, среди которых числятся и грамотная оцифровка, и плотность изображения, и много чего еще. Практика показывает, что 24 fps все же недостаточно. Но, повторюсь, для примерной оценки показатель сгодится.

Дальнейшее

Несомненно, скоро появятся новые платформы и процессоры, но направление их развития ясно уже сейчас. Мощные CPU и видеоакселераторы, проникнув в мобильные устройства со стороны КПК, неумолимо движутся через смартфоны к обычным телефонам. В свою очередь, грань между двумя последними классами устройств постепенно стирается.

Сегодня ноутбуки уверенно соперничают с настольными ПК в производительности. Об этом всего три-четыре года назад и помыслить было нельзя. Так и телефоны в скором времени смогут составить конкуренцию даже самым продвинутым КПК. Чему, несомненно, в первую очередь поспособствуют их полупроводниковые "сердца" - процессоры.

Которые даже сейчас никак не назовешь слабыми.

Автор статьи: Александр Молчанов