Архитектура КПК
Процессор XScale
Процессоры, используемые в составе КПК, по архитектуре и системе команд существенно отличаются от своих старших собратьев. Действительно, традиционные решения реализуют идеи x86. А вот сверхкомпактные мобильные компьютерные изделия, к которым относятся КПК, являются воплощением целой серии разработок компании ARM.
Эти разработки на определенном этапе их развития были лицензированы корпорацией Intel. Благодаря усилиям ее инженеров архитектура и система команд ARM получили дальнейшее развитие в серии специальных процессоров. Эти процессоры по замыслу Intel были в течение ряда лет ориентированы в основном на рынок сетевых контроллеров и КПК (до передачи разработок компании Marvell).
Ядро XScale
Процессоры данной группы, чья обновленная архитектура, получила наименование IntelXScale, являются по сути системой-на-чипе. В составе этой системы, выполненной на едином кристалле и помещенной в общий корпус процессора, реализовано большое количество контроллеров. Основой же такой системы является ядро, представленное на Рис. 1.
Это ядро стало основой ряда процессоров Intel, среди которых представители линеек 250, 255, 270 и другие.
На их основе созданы разные КПК. Эти устройства отличаются друг от друга аксессуарами и дизайном, а также системным программным обеспечением. Но кроме этого, модели КПК отличаются еще и используемыми совместно с процессорами электронными компонентами. Именно эти элементы в значительной степени определяют внутреннюю архитектуру и функциональные возможности изделий. Зная все особенности можно не только реально оценивать диапазон возможностей, пределы производительности, энергопотребление и даже прогнозировать совместимость аксессуаров.
Как пример, в качестве объекта исследования внутреннего устройства КПК была выбрана модель Pocket LOOX 420 фирмы Fujitsu Siemens Computers (Fujitsu Siemens). Этот КПК можно рассматривать как пример типовой модели КПК, созданной на процессоре Intel PXA255 с ядром микроархитектуры IntelXScale. Этот процессор унаследовал лучшие черты своих предшественников и заложил основы для своих потомков.
Архитектура и параметры процессора
Процессор Intel PXA255 создан на основе своего предшественника Intel PXA250. Новый процессор унаследовал большинство его архитектурных особенностей. Основным отличием является использование более производительной внутренней шины, чья тактовая частота была увеличена вдвое — 200 МГц (при тактовой частоте ядра 400 МГц) против 100 МГц у той же шины его прототипа. Это обеспечило значительное повышение скорости работы процессора и соответствующее увеличение производительности компьютерных систем, созданных с использованием Intel PXA255.
Система команд совместима с ARM версии 5TE ISA (ARM Thumb Instruction Support, ARM DSP Enhanced Instructions).
Ядро XScale процессора Intel PXA255 обладает следующими характеристиками:
· 32 Кбайт кэш команд,
· 32 Кбайт кэш данных,
· 2 Кбайт мини кэш данных,
· 2 Кбайт мини кэш команд,
· 40 бит аккумулятор и расширенный 16 разрядное устройство умножения для обработки мультимедийной информации,
· средства управления памятью инструкций и данных и др.
Совместно с ядром XScale в состав процессора (Рис. 2) интегрированы следующие технические средства:
· контроллер памяти,
· контроллер тактовой частоты и мощности,
· контроллер DMA,
· контроллер LCD,
· USB Client,
· AC’97,
· I2S,
· MultiMediaCard,
· FIR Communication,
· Syinchronous Serial Protocol Port,
· I2C,
· General Purpose I/O,
· Full Function UART,
· Standard UART),
· Bluetooth UART (стандартный последовательный 960 Кбит UART интерфейс к приемопередающему модулю),
· Real-Time Clock,
· OS Timers,
· Pulse Width Modulation,
· контролер прерываний.
Платформа
На Рис. 2 представлена обобщенная структура одного из вариантов архитектуры КПК. В нем предусмотрены подсистемы беспроводной связи разного типа.
Урезая или добавляя узлы, а также варьируя наборы элементов, можно получить модели КПК разных функциональных возможностей.
Необходимо отметить, что разработкой, производством и реализацией КПК занимаются многие десятки фирм, среди которых не мало известных фирм.
Основные технические параметры
Перед рассмотрением особенностей внутреннего устройства КПК PocketLOOX 420 фирмы FujitsuSiemensцелесообразно привести его основные технические параметры. Эти параметры приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры КПК Pocket LOOX 420 фирмы Fujitsu Siemens
Применяемая в КПК литий-ионная (Lithium-Ion) аккумуляторная батарея является заменяемой. Она расположена под съемной нижней крышкой КПК. Ее емкость составляет 1100 мАч.
Подзарядка возможна как через кредл, так и при непосредственном подключении КПК к внешнему блоку питания.
Оценивая возможности традиционного литий-ионного аккумулятора КПК, необходимо отметить, что кроме заменяемой батареи, в составе КПК имеется дополнительный NiMH аккумулятор небольшой емкости. Он обеспечивает сохранность хранимых в памяти данных на время замены (до 30 минут) основной батареи на запасной аккумулятор.
Остальные элементы рассмотрены ниже.
Разборка КПК
Для того чтобы получить доступ к внутреннему устройству КПК и его компонентам необходимо вскрыть корпус. Однако разборка столь сложного устройства является операцией, потенциально опасной для КПК. Связано это с тем, что ошибки в разборке и в последующей сборке чреваты необратимыми нарушениями работоспособности.
Именно поэтому за помощью было решено обратиться к профессионалам фирмы CPS - Технический Центр (www.cpstc.ru), специалисты которой помогли разобрать и собрать описываемые ниже модели КПК, а также оказали помощь в подготовке фотографий внутренних узлов.
Внутреннее устройство КПК
На Рис. 3-5 представлены фотофрагменты конструкции карманного персонального компьютераFujitsuSiemens Pocket LOOX 420.
На Рис. 3 представлен КПК без задней крышки корпуса и без аккумулятора. Отсутствие крышки позволяет увидеть элементы внутреннего устройства.
На приведенном фото в правом торце КПК расположен многофункциональный разъем. Через него в КПК подается энергия от внешнего блока питания, работающего от сети переменного тока напряжением 100-220 В. Кроме того, этот же разъем используется для подключения КПК к ноутбуку или настольному компьютеру с целью передачи программ и данных. Информационная связь осуществляется по интерфейсу USB.
В противоположном конце от совмещенного разъема USB/питание в КПК находится щелевой разъем (слот) SDIO. Он вместе с окружающими его элементами используется для подключения карточек флэш-памятиSD/MMC или миниатюрных карт расширения.
Рядом с SDIO находится стерео разъем головных телефонов.
Все эти элементы расположены на материнской плате, изъятой из корпуса и представленной на Рис. 4.
Кстати, в корпусе, лишенном материнской платы остаются ряд элементов, среди которых выделяется ярко-зеленый диск дополнительного аккумулятора.
А теперь собственно о материнской плате и расположенных на ней основных электронных элементах.
Около контактов разъема, совмещающего USB и электропитание, на плате расположена микросхема ST3243. Эта микросхема, реализующая последовательную передачу данных, часто используется в составе элементов интерфейса ввода/вывода.
Рядом с этими элементами размещен еще один разъем. Он расположен под углом на узком краю платы и соединяет электронную схему с компонентами, расположенными в корпусе вне основной платы.
В центре данной платы расположен черный аккумуляторный разъем с пружинными, позолоченными контактами.
Рядом с аккумуляторным разъемом на плате помещен разъем белого цвета. Через этот разъем обеспечивается связь электронной схемы КПК с дисплеем LCD, размещенным в корпусе.
Рядом с дисплейным и аккумуляторным разъемами на краю платы находится микросхема, выделяющаяся среди окружающих элементов своими размерами. Это чип BBADS7846N компании TexasInstruments. Он является контроллером сенсорного дисплея (Touch-Screen Controller) от Sony.
Рядом с разъемом SDIO под металлическим экраном расположен модуль беспроводной радиосвязи Bluetooth. Этот модуль окружен электронными элементами разной степени интеграции.
Большое количество элементов расположено на другой стороне платы КПК. Внешний вид этой стороны платы представлен на Рис. 5.
Число электронных компонентов, расположенных на обратной стороне платы, сравнительно велико, и их описание выходит за рамки данной статьи. Однако основные микросхемы, в значительной степени определяющие архитектуру указанного КПК, заслуживают персонального упоминания и соответствующего рассмотрения.
Главной микросхемой традиционно является процессор Intel PXA255, реализующий микроархитектуру XScale. Этот важнейшая компонент, как справедливо считается, является основой КПК, и он в значительной степени определяет архитектуру устройства. Это компонент подробно описан в начале данной статьи в отдельном разделе.
Кроме процессора, важнейшими микросхемами являются чипы памяти, контроллеры интерфейсов и т. п.
Оперативная память КПК представлена двумя микросхемами SDRAM. Их общий объем составляет 64 Мбайт (2 х 256 Мбит). На Рис. 5 эти микросхемы расположены выше процессора. Они хранят программы и данные, но только до тех пор, пока в аккумуляторах достаточно для этого энергии. Кроме того, микросхемы участвуют в процессах обработки данных.
Флэш-память КПК представлена одной большой микросхемой. Эта микросхема выпущена компанией Intel. Ее обозначение - Intel 4000LOZBQO, и на Рис. 5 она расположена справа от процессора. Микросхема обеспечивает энергонезависимое хранение информации и предназначена в основном для хранения системной информации, представленной программами и данными производителя КПК.
Справа от чипа флэш-памяти расположена микросхема HTC 30H88028-00. Эта микросхема является так называемым чипом-компаньоном процессора Intel PXA255. Она содержит контроллеры интерфейсов GPIO (General Purpose Input/Output) и SD/MMC. Это означает, что через HTC 30H88028-00 осуществляется передача значительного потока информации между процессором и другими комплектующими.
Еще одной крупной микросхемой является контроллер беспроводного радиоинтерфейса Wi-Fi. Этот контроллер реализован на основе микросхемы Texas Instruments TNETW1100BGHH и управляет модулем радиоинтерфейса, скрытым под металлическим экраном. Данный модуль создан на основе микросхемы MAXIM MAX2820 (2.4 GHz 802.11b Zero-IF Transceivers). Указанная микросхема, выполненная в корпусе THIN QFN (7 x 7 x 0.8 mm, 48 pin), поддерживает стандарт IEEE802.11b (до 11 Мбит/с CCK и до 22 Мбит/с PBCC). Используется однополярное питание: от +2,7 В до 3,6 В. Из других характеристик данной микросхемы следует отметить параметры чувствительности: -97 dBm Rx Sensitivity at 1 Mbps, -87 dBm Rx Sensitivity at 11 Mbps. Передача данных осуществляется в диапазоне 2,4-2,5 ГГц.
Необходимо отметить, что упомянутые радиоинтерфейсы Bluetooth и Wi-Fi являются не единственными беспроводными интерфейсами рассматриваемой модели КПК. К ним следует добавить традиционный инфракрасный (ИК) интерфейс, реализованный с помощью соответствующих элементов, интегрированных в состав КПК.
Кстати, отмечая возможность работы КПК с внешними аудио и видеоустройствами, следует напомнить, чтоPocketLOOX 420 сам обладает неплохими мультимедийными возможностями. Звуковые возможности данной модели КПК поддержаны рядом элементов, входящих в его архитектуру. Среди них, прежде всего, следует отметить микросхему Philips 380HN (UDA1380HN). На Рис. 5 она расположена слева от процессора Intel PXA255. Данная микросхема Philips 380HN содержит в своем составе 24-разрядные аналого-цифровые (ADC,Analog-to-Digital Converter) и цифро-аналоговые (DAC, Digital-to-Analog) преобразователи. Как утверждают разработчики указанной микросхемы Philips 380HN, она обеспечивает для обрабатываемых сигналов низкий коэффициент искажений и высокий динамический диапазон, достигающий уровня 97 дБ на предельных значениях частоты семплирования.
Остается отметить, что работа аппаратных средств КПК Fujitsu Siemens Pocket LOOX 420 поддержана соответствующими системными и прикладными программными компонентами Microsoft, а также других сторонних производителей ПО.