Архитектура Intel XScale – очень сложные процессоры для простых устройств

Большинство пользователей ноутбуков не интересуется техническими спецификациями используемых ими устройств. Самое главное, чтобы начинка мобильного компьютера отвечала поставленным перед ним задачам. Что уж говорить о PDA, «внутренности» которых даже для весьма искушенных пользователей всегда оставались тайной за семью печатями. Сегодня мы попробуем восполнить этот пробел и пролить свет на особенности наиболее распространенной архитектуры КПК – Intel XScale.

В конце 2004 г., обсуждая кандидатов на премию «Компьютерное Обозрение: Продукт года», мы долго спорили, включать ли в номинацию «Процессоры» решения для КПК. Основные аргументы противников сводились к тому, что на самом деле пользователю не так важно знать тактовую частоту и объем кэш-памяти, как круг задач, которые он сможет решать на своем цифровом помощнике. С подобным утверждением поспорить действительно сложно, но, с другой стороны, современные процессоры для PDA представляют собой очень сложные по степени интеграции компонентов системы-на-чипе, намного превосходящие в этом CPU для настольных ПК (речь идет не о миллионах транзисторов, а о количестве функциональных блоков в микросхеме). в теме номера, посвященной обзору и тестированию КПК, мы решили снабдить наших читателей интересной информацией об архитектуре XScale и, в частности, о наиболее ярком ее представителе – процессоре Intel PXA 270.

Intel XScale PXA 27х

Блок-схема строения процессора Intel XScale серии PXA 27x

В КПК процессор является не только вычислительным модулем, а и основным коммутатором массы интегрированных в чип контроллеров. В этом, собственно, заключается главное и принципиальное отличие от персональных компьютеров, где CPU, по сути, одна из равноправных составляющих системы. Так что с некоторым обобщением можно сказать, что классический КПК на самом деле представляет собой CPU плюс LCD-экран. Для наглядности приводим рис. 1, на котором можно условно выделить 13 основных блоков, целиком определяющих функциональность современных КПК. Рассмотрим детальнее наиболее интересные из них.

Вычислительное ядро с Wireless MMX Technology

Блок-схема ядра процессора Intel XScale серии PXA 27x

Процессоры Intel семейства PXA, построены на базе микроархитектуры XScale, вычислительное ядро которых базируется на так называемой суперконвейерной RISC-технологии (рис. 2, основные характеристики процессора приведены в таблице). Как можно заметить, по своей сложности процессоры для КПК мало в чем уступают своим настольным собратьям. Перед нами полноценный 32-битный вычислитель с кэшем 64 КВ первого уровня (по 32 КВ на инструкции и данные) и L2-кэшем 256 KB. Несколько слов о том, почему Intel называет свой процессор именно суперконвейерным. Дело в том, что в семействе XPA 27x после четырех общих операций (определение инструкции – чтения регистрового файла) могут использоваться три независимых конвейера – X-pipeline (основной исполнительный), M-pipeline (исполнение мультимедийных инструкций интегрированным сопроцессором аппаратного умножения с накоплением (MAC)), D-рipeline (чтение и запись новых инструкций из кэша). Подобный подход приводит к значительному увеличению производительности, особенно при работе с потоковыми мультимедиаданными (к примеру, MPEG-4). Именно для обеспечения достаточной производительности при просмотре видео и применяется многоконвейерная обработка, мини-кэш 2 КВ для потоковых данных и 40-битный сопроцессор с возможностью исполнения команд EMMX/SSE.

Контроллер LCD-дисплея

КПК HP h2210 внутри

Встроенный в процессор LCD-контроллер позволяет подключать один или два экрана. Максимальное разрешение составляет 800×600 при 18-битной цветовой схеме (262 тыс. цветов) либо 24-битной при использовании панели с интегрированным фрейм-буфером. На сегодняшний день многие производители отдают предпочтение комбинированным схемам (дополнительные микросхемы MPEG-ускорителей и/или 3D-акселераторов, даже получивших общее название «медиа-процессоры»), но в любом случае пока в большинстве КПК интерфейс отображается именно встроенным графическим контроллером процессора.

Контроллер внешний памяти

Универсальный блок работы с различными видами памяти – оперативной SDRAM (частота 104 MHz, 64-bit, пропускная способность 832 MBps), дополнительной статической SRAM, синхронной ROM и различными типами флэш-памяти.

QuickCapture Interface

Выделенная шина для связи с сенсором камеры. Позволяет напрямую записывать фотоснимки и видеопоток в память или на внешние носители, используя основной системный интерфейс. В случае применения внешних медиапроцессоров функциональность интерфейса значительно расширяется, вплоть до возможности записывать MPEG-4-видео в разрешении 800×600 при скорости 30 кадров в секунду.

USB-HOST контроллер

Модуль основного интерфейса USB 1.1, подключенный непосредственно к основной системной шине, служит для создания соединений с клиентскими устройствами, работающими через периферийную шину DMA-контроллера.

DMA-мост-контроллер

Высокоскоростной 32-битный контроллер, обеспечивающий возможность периферийным устройствам взаимодействовать с оперативной памятью. Основные его характеристики таковы:

• до 63 одновременно подключенных устройств;
• до 23 USB-устройств стандарта 1.1;
• скоростной инфракрасный порт с производительностью до 500 KBps;
• поддержка аудиокодеков стандарта AC'97 2.0 через интерфейс I2S;
• три скалярных синхронных порта SSP;
• три COM-порта: стандартный, полнофункциональный, виртуальный для Bluetooth-соединений;
• контроллеры считыванияSD/MMC и носителей Memory Stick;
• контроллер клавиатуры;
• MSL-контроллер для коммутации между различными беспроводными и мобильными устройствами;
• контроллер прерываний;
• часы реального времени;
• четырехканальный широтно-импульсный модулятор;
• системный таймер;
• основной контроллер ввода/вывода.

Блок управления энергопотреблением Intel Wireless SpeedStep

Intel приложила огромные усилия для того, чтобы новые процессоры для персональных цифровых ассистентов обладали лучшим соотношением производительность/энергопотребление. Процессоры поколения XScale умеют на лету изменять частоту, множитель и напряжение ядра, а также частоту системной шины. В результате вольтаж варьируется от 1,55 В для максимальной нагрузки при 624 MHz (тепловыделение 925 мВт) до 0,9 В для режима простоя, 104 MHz (тепловыделение 64 мВт). Как видно даже самый производительный вариант при максимальной нагрузке рассеивает менее одного ватта тепла, а жаловаться на недостаточную «проворность» процессора с частотой 624 MHz точно не приходится.

Разумеется, в данном материале мы рассмотрели архитектуру XScale лишь частично. А ведь только один документ, в котором говорится о функциональности процессора в целом и о каждом его блоке в отдельности, насчитывает около 900 страниц.

Таким образом, применяемые технологии в, на первый взгляд, полуигрушечных устройствах могут быть весьма сложными, и семейство процессоров PXA 27x – реальное тому подтверждение. Особенно если учесть, что соотношение производительности и затраченной энергии у последних одно из лучших в полупроводниковой индустрии.