Специализированные микропроцессоры и микроконтроллеры используемые в сотовых телефонах

Введение

На сегодняшний день мобильные устройства получили широкоераспространение. Одно из их главных преимуществ - наличие возможностииспользования в любой удобный момент. Однако быстрый расход заряда батареи ставит под угрозу преимущество мобильности.
Микроконтроллер представляет собой небольшой и недорогой компьютер, созданный для решения конкретных задач, таких как отображение информации на семи-сегментном дисплее на железнодорожной платформе или получение информации с пульта дистанционного управления телевизором. Микроконтроллеры, в основном, используются в продуктах, требующих определенного контроля над пользователем. Сегодня на рынке доступны различные типы микроконтроллеров с различными длинами слов, такими как 8-битные, 16-битные, 32-битные. Микроконтроллер представляет собой сжатый микрокомпьютер, предназначенный для управления функциями встроенных систем в офисных машинах, роботах, бытовой технике, автомобилях и ряде других гаджетов. Поэтому в сегодняшнем технологическом мире многое делается с помощью микроконтроллера. В зависимости от приложений мы должны выбирать определенные типы микроконтроллеров.
Рассматриваются архитектуры мобильных устройств, история их разработки, использование разных архитектур в современной портативной технике.


1. Архитектуры современных мобильных устройств

К современным мобильным устройствам относят прежде всего смартфоны и планшетные компьютеры. Их главными параметрами являются размер и способность к транспортированию. Мало кто знает, что от персональных компьютеров они отличаются прежде всего принципом построения архитектуры устройства.
Почти все процессоры настольных компьютеров используют архитектуру *86 (от англ. Intel 80x86), разработанную в 1978 г. Эта архитектура процессора впервые была реализована в процессорах компании Intel. Помимо продукции Intel архитектура также применяется в процессорах AMD, VIA, Transmeta, IDT и др. У архитектуры х86 существует соответствующий ей набор команд CISC (от англ. Complex Instruction Set Computing или англ. Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд). Это означает, что при запуске любой программы, процессор устройства обрабатывает всю цепочку команд. Например, при запуске графического редактора он производит загрузку всех инструментов, фильтров, эффектов и других функций сразу, что требует немалой вычислительной мощности.
В большинстве мобильных устройств используется архитектура ARM (от англ. Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine — усовершенствованная RISC-машина). Этой архитектуре соответствует набор команд типа RISC (от англ. Restricted (Reduced) Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд). Процессоры таких устройств отвечают за значительно меньший объем команд, быстродействие в них достигается путем упрощения инструкций. Если запустить графический редактор на устройстве с таким процессором, то при открытии будут загружены только основные функции, а используемые во время работы дополнительные модули будут подгружены по мере их вызова. Этот метод обеспечивает высокую скорость работы, несмотря на малую вычислительную мощность.
Почти все RISC-инструкции довольно просты и выполняются за один такт работы процессора, основными в этом наборе команд являются инструкции загрузки Load и сохранения Store. Для выполнения RISC-инструкций нужно меньше логических элементов, чем для CISC-инструкций, которые могут выполнять сразу несколько низкоуровневых операций, что в конечном итоге снижает стоимость процессора и увеличивает тактовую частоту.
Первые процессоры ARM были представлены 26 апреля 1985 г. компанией Acorn Computers под названием ARM 1. ARM2 были доступны уже в следующем году. К настоящему времени процессоры ARM претерпели много изменений и доработок, но компактность конструкции сохранилась до сих пор: кристалл процессора ARM2 содержал 30 тыс. транзисторов, a ARMv7 содержит всего на 5 тыс. транзисторов больше.
Корпорация ARM Holdings, дочерняя компания Acorn Computers, в отличие от Intel или AMD, сама ничего не производит, предпочитая продавать это право другим производителям мобильных устройств. Среди ее лицензиатов такие кампании, как AMD, Apple, Intel (до 2006 г.), NXP, STMicroelectronics, Samsung, LG, MediaTek, MStar, Qualcomm, Sony. При этом многие лицензиаты делают собственные версии ядер на базе процессора ARM.
До недавнего времени все мобильные устройства, основанные на процессоре ARM, поддерживали только 32-разрядные вычисления. ARMv8 — первый 64- битный процессор, он позволяет работать с объемом оперативной памяти 4 Гбайт и больше.
Рассмотрим примеры последних решений на процессоре ARM.
Смартфон Apple iPhone 6S (рис. 1).


Рис. 1. Процессор Apple A9 смартфонаApple iPhone 6S
Процессор Apple А9 - 64-битный двухъядерный ARM-микропроцессор с архитектурой ARMv8-A компании Apple из серии Apple Ах. Изготавливается по новому 14-нм FinFET техпроцессу. Используется в смартфонах iPhone 6S и iPhone 6S Plus.
Смартфон Samsung Galaxy S6 (рис. 2).


Рис. 2. Процессор Samsung Exynos 7420смартфона Samsung Galaxy S6
Процессор Samsung Exynos 7420 — 64-битный восьмиядерный ARM-микропроцессор с архитектурой ARMv8-A компании Samsung. Используется в смартфонах Samsung Galaxy S6, Samsung Galaxy S6 Edge, Samsung Galaxy Note 5, Samsung Galaxy S6 Edge+.
Смартфон Microsoft Lumia 950 (рис. 3).


Рис. 3. Процессор Qualcomm Snapdragon 808смартфона Microsoft Lumia 950
Процессор Qualcomm Snapdragon 808 - 64-битный шестиядерный ARM-микропроцессор с архитектурой ARMv8-A. Он также используется в смартфонах LG G4, LG Nexus 5Х, Xiaomi mi4c, Motorolla Moto X Style.
Все эти мобильные устройства содержат 64- битные PISC-процессоры, которые основаны на ядрах Cortex-A57 и Cortex-A53.
Мобильные устройства, основанные на архитектуре х86, тоже существуют. В основном это планшетные компьютеры на операционных системах Windows 8 и 10 и некоторые смартфоны с процессором Intel Atom. Intel Atom — единственный на сегодняшний день процессор компании Intel, использующийся в смартфонах. Некоторые планшетные компьютеры, предназначенные для решения более сложных задач, имеют процессоры Intel Core i3 и Intel Core i5.
Из недавно вышедших смартфонов для примера можно рассмотреть следующие:
Смартфон ASUS ZenFone 2 Deluxe (рис. 4).

Рис. 4. Процессор Intel Atom Z3580 смартфона ASUSZenFone 2 Deluxe
Процессор Intel Atom Z3580 - 64-битный четырехъядерный микропроцессор с архитектурой х86 компании Intel из серии Intel Atom. Используется в мобильных устройствах Asus MemoPad 8, Nokia N1, Dell Venue 8 7000, Asus Zenfone 2.
Процессоры Intel Atom еще не до конца доработаны, они пока сильно уступают процессорам ARM. Примером служит то, что такая большая компания, как Apple, использует процессоры фирмы Intel во всех своих персональных компьютерах и ноутбуках, но не использует процессоры Intel Atom для смартфонов и планшетов. Компания Intel заявляет, что будет вкладывать много усилий в совершенствование линейки процессоров для мобильных устройств, чтобы все больше производителей устанавливали процессоры Intel Atom в свои новые модели.

2. Современные мобильные процессоры

Работа современных смартфонов основана на процессоре SoC (система-на-чипе). Помимо центрального процессора, в него входит модем, видео-ядро и прочие компоненты, распаянные на плате. Появление новою стандарта ОЗУ LPDDR4 также способствовало развитию новых систем, которые могут поддерживать такую память. Она более производительна и потребляет меньше энергии, что является ключевым аргументом для любой мобильной техники. Практически все мобильные процессоры построены на архитектуре ARM.
Рассмотрим модели лучших процессоров от разных производителен.
По заявлению компании Apple новый чип А9 получил прирост производительности до 70% в целом и порядка 90 % по графике по сравнению с предыдущим поколением чипов Apple А8. Также энергопотребление новою чипа снижено на 35% и его размеры уменьшились на 15 %.
Эти процессоры установлены на iPhone 6S и 6S Plus.
2. Snapdragon 801 MSM8974AC

1. Apple A9

2. Snapdragon 801 MSM8974AC
Apple A9 — 64-битный двухъядерный ARM- макро процессор с архитектурой ARMv8 компании Apple из серии Apple Ах. изготавливаемый по новому 14-нм FinFET техпроцессу. В декабре 2013 года стало известно о подписании контракта компанией Samsung на выпуск в 2015 году следующего поколения процессоров Apple по новому 14-нм технологическому процессу на транзисторах с вертикально расположенным затвором (fin field effect transistor. FinFET). А в декабре 2014 года появилась информация о начале производства на фабрике S2 компании Samsung в Остине первой пробной партии нового чипа Apple А9 по 14-нм техпроцессу с использованием FinFET-транзисторов.
Qualcomm Snapdragon 801 MSM8974AC — ARM- чнп для топовых планшетов и смартфонов. Он производится на заводах компании TSMC на 28- нанометровом HKMG-техпроцессе и включает 4 процессорных ядра на архитектуре Krait 400

. работающие на частоте до 2500 МГц. В качестве видеоадаптера используется Adreno 330 на частоте до 375 МГц.
В частности. Qualcomm Snapdragon 810 работает с четырьмя ядрами Cortex-A57 и четырьмя ядрами Cortex-A53 в гетерогенной конфигурации big.LITTLE, в которой планировщику ОС доступны все восемь ядер. Два кластера CPU соединены когерентным кэшем CCI-400 Cache Coherent Interconnect.
Cortex-A57 является преемником Cortcx-A15. А57 привносит лишь незначительные изменения в архитектуру А15. Он по-прежнему использует спекулятивный вычислительный суперскалярный 15+ ступенчатый конвейер, где первые 12 стадий (выборки/дскодирования) являются последовательными, а последние 3-12 стадий (выдача, исполнение) —внеочередными. IPC также нс изменился по сравнению с А15: декодирование до трех, выдача до восьми и перераспределение до трех (восемь каналов разной длины) команд за такт. Буфер переупорядочивает! команд, влияющий на уровень параллелизма выполнения команд, который может достичь ядро, как и А15 вмещает до 128 микроопераций. Кэш L1 для инструкций увеличился до 48 Кбайт (буфер быстрого преобразования адреса (TLB) на 48 'записей) по сравнению с 32 Кбайт в А15, но кэш для данных остался прежним — 32 Кбайт (TLB на 32 записи). Кэш L1 опирается на общий кэш L2.
Чип MediaTek МТ6797 будет использовать архитектуру MediaTek Tri-Cluster. Он получит 10 процессорных ядер, которые будут разделены на три кластера. Первый будет включать два ядра Cortex - А72, работающие с максимальной частотой 2,5 ГГц. Во второй кластер войдут четыре ядра Cortex-A53, работающие с частотой до 2 ГГц. Третий кластер — те же четыре ядра Cortex-A53, но их рабочая частота понижена до 1,4 ГГц. Подобная схема позволит максимально эффективно использовать вычислительные ресурсы в соответствии с поставленными задачами.
Однокристалльная система MediaTek МТ6797, рассчитанная на выпуск по нормам 20-нанометрового технологического процесса, также включает графическое ядро Mali-T880 MP4, работающее с тактовой частотой 700 МГц. Возможностей графической подсистемы должно хватать для кодирования и декодирования видео разрешением до 4К в формате Н.265 (HEVC) с кадровой частотой до 30 к/с и поддержки экранов разрешением до 2560x1600 точек. Чипсет также способен обрабатывать данные, поступающие с камер разрешением до 25 Мп и использует технологию Native3D 2.0 для захвата стереоскопических снимков.

3. MediaTek MT6797
Отсутствие поддержки памяти типа LPDDR4 выглядит очень большим упущением на фоне остальных впечатляющих технических характеристик платформы. Чип MediaTek МТ6797 ограничен поддержкой памяти типа LPDDR3 с частотой 993 МГц, тогда как конкурирующие платформы Qualcomm и Samsung уже давно перешли на более быструю память LPDDR4 с частотой 1600 МГц. Еще одной слабостью платформы MediaTek по сравнению с конкурирующими решениями является использование модема LTE Cat-б (теоретическая пиковая скорость в нисходящем канале 300 Мбит/с), тогда как SoC Qualcomm поддерживает агрегацию несущих LTE Cat-9, за счет чего обеспечивается передача данных с максимальной скоростью до 450 Мбит/с.


4. NVIDIA Tegra X1
Tegra XI объединяет графический ускоритель с 256 потоковыми процессорами и 8-ядерный CPU в конфигурации 4+4. 64-битный CPU использует технологию big. LITTLE в комбинации четырёх энергоэффективных ядер ARM Cortex-A53 и четырёх мощных Cortex-А57. По словам NVIDIA, Tegra XI удваивает производительность по сравнению с К1 при одинаковом уровне энергопотребления.
XI выглядит как существенный шаг вперёд. Кстати, нельзя не отметить, что NVIDIA решила использовать ядра ARM Cortex, а не собственные Denver. Это позволяет ускорить вывод нового чипа на рынок и вполне соответствует тенденциям — Qualcomm в новом флагманском чипе Snapdragon 810 тоже сделала выбор в пользу стандартных ядер ARM.
Стоит отметить, что Tegra XI производится с соблюдением 20-нм норм, умеет воспроизводить видео в разрешении 4К при 60 кадрах/с в современных форматах Н.265 (HEVC) или аналогичном Google VP9. Среди поддерживаемых графическим ускорителем технологий присутствуют DirectX 12, OpenGL 4.5, CUDA, OpenGL ES 3.1 и Android Extension Pack.
NVIDIA поделилась показателями относительной производительности Tegra XI по сравнению с предшественником К1 и одним из самых мощных мобильных чипов Apple А8Х, используемом в планшете iPad Air 2
NVIDIA утверждает, что Tegra XI является первым мобильным чипом, который способен обеспечить теоретическую производительность при вычислениях операций с плавающей запятой на уровне 1 терафлопс.

5. Exynos 7580
Компания Samsung анонсировала нового представителя семейства Exynos — 8-ядерный чип 7 Octa. Однокристальная система использует четыре ядра Cortex-A57 и столько же Cortex-A53. Чип выполнен по нормам 20-нанометрового процесса. В сравнении с Exynos 5 производительность выросла на 57 процентов. Любопытно, что в своем сообщении Samsung даже не упомянула о том, что 7 Octa является 64-битным чипом.
Интерес к 64-битным мобильным чипам возрос, когда Apple представила iPhone 5S с процессором А7 собственной разработки. Выход операционной системы Android 5.0 Lollipop спровоцировал новую волну спроса на 64-битные чипы для мобильных устройств. Первым все прелести 64-битной совместимости Android испытает на себе планшет Nexus 9 на базе процессора NVIDIA Tegra К1 Dual Denver. Похоже, Samsung будет следующей.
Как было отмечено выше, Exynos 7 Octa использует преимущества высокой производительности Cortex-A57 и низкого энергопотребления Cortex-А53.
Новый чип собрал в себе все достижения в области ARM-технологий. Exynos 7 Octa построен с использованием 20-нанометрового процесса, ранее реализованного в чипе Exynos 5430 в смартфоне Samsung Galaxy Alpha. Результат-большой прирост производительности, дополнительное снижение энергопотребления и улучшенная графика.
Графический ускоритель Mali Т-760 GPU, по словам Samsung, обеспечил 74-процентный прирост по сравнению с графикой Exynos 5. Реализованная здесь технология Heterogeneous Multi Processing позволяет управлять ядрами в зависимости от рабочей нагрузки.

3. Процессоры мобильных устройств

Мобильные процессоры — это процессоры, которыми оснащаются мобильные устройства. Изначально они устанавливались исключительно в компьютеры, но цифровые и вычислительные технологии не стоят на месте, и с появлением таких мобильных устройств, как телефоны, смартфоны и планшеты, сфера применения процессоров значительно расширилась. Процессор — это центральный элемент системы, отвечающий за все информационные преобразования и управляющий вычислительным процессом; это одна из трех аппаратных составляющих, которая вместе с видеокартой и оперативной памятью определяет, насколько быстро и плавно будет работать устройство. На сегодняшний день существует великое множество видов процессоров с различными характеристиками.
Необходимо отметить, что процессоры как таковые в мобильных устройствах не используются. Объединяясь вместе с другими компонентами, процессоры образуют SoC (System on a chip) — систему на кристалле. То есть на одной микросхеме находится полноценный компьютер, и среди его компонентов — процессор, графический ускоритель и другие части [1].
В отличие от процессоров, которыми производители комплектуют компьютеры и ноутбуки, в смартфоны устанавливаются процессоры на базе энерго-эффективной архитектуры ARM. Это позволяет смартфону работать в автономном режиме более десятка часов при умеренной нагрузке [2]. ARM — это одновременно название и архитектуры, и компании, которая ведет ее разработку. ARM-архитектура объединяет в себе семейство как 32-, так и 64-разрядных микропроцессорных ядер, разработанных и лицензируемых компанией ARM Limited. Эта компания занимается исключительно разработкой ядер и различных инструментов для них, например компиляторов и средств отладки. Компания ARM Limited продает лицензии на производство ARM-процессоров сторонним фирмам, на сегодняшний день в список этих фирм входят: Qualcomm, nVidia, Samsung, MediaTek, AMD, Intel, Marvell, Atmel, Sony Ericsson, LG и другие [1]. Некоторые компании, имеющие лицензию на производство ARM-процессоров, создают собственные варианты ядер на базе ARM-архитектуры. Примерами таких процессоров могут служить DEC StrongARM, NVIDIA Tegra, Qualcomm, Snapdragon, Samsung Hummingbird и LG H13 [4]. На первых позициях рейтинга мобильных процессоров находятся Qualcomm, MediaTek, Apple, Intel и Nvidia [3].
ARM можно назвать мобильными процессорами для смартфонов и планшетов, так как любая электроника фактически работает на базе ARM-процессоров: смартфоны и мобильные телефоны, цифровые плееры, КПК, портативные игровые консоли и внешние жесткие диски содержат в себе ARM-ядро.
Помимо ARM-архитектуры существует архитектура *86 компании Intel, представленная некоторым количеством устройств, которая до недавнего времени была рассчитана только на бюджетные коммуникаторы.
Для конечного пользователя различие между архитектурами практически незаметно