Опубликован: 01.11.2011 | Доступ: свободный | Студентов: 1422 / 62 | Оценка: 3.84 / 3.44 | Длительность: 15:38:00
Специальности: Программист
Лекция 1:

Вводная. Мобильные и встраиваемые платформы и системы

Лекция 1: 12 || Лекция 2 >
Аннотация: В лекции рассказывается о специфике встраиваемых и мобильных систем, сообщается об особенностях аппаратного и программного обеспечения подобных устройств (специализированные микропроцессоры, устройства ввода-вывода, коммуникационное и навигационное оборудование, операционные системы реального времени). Сопоставляются Windows Mobile 6.5 и Window CE с аналогичными операционными системами. Приводится общая характеристика Windows Phone 7: требования к аппаратному обеспечению, поддержка различных сервисов, улучшенный интерфейс, поддержка технологий XAML, Silverlight и XNA. Обсуждаются инструменты разработки приложений для этой ОС.

Дополнительные материалы к занятию можно скачать здесь.

Мобильные и встраиваемые системы предъявляют специфические требования к энергопотреблению, габаритам, программному обеспечению. Встраиваемые контроллеры широко применяются в бытовых приборах, медицине промышленных установках, военном деле. Зачастую специфика их эксплуатации требует минимального времени отклика, поэтому, подобные устройства часто работают под управлением операционных систем реального времени (ОС РВ). В отличие от персональных компьютеров производительность обычно здесь не так важна, зато ценится высокая интеграция. Зачастую весь функционал заключен в одной микросхеме.

Рассмотрим некоторые характерные особенности мобильных и встраиваемых систем.

Микропроцессоры

Универсальные микропроцессоры типа Pentium IV в силу их высокого энергопотребления обычно не используются. Более распространены процессоры с системой команд x86 (Intel Atom, VIA Nano, AMD LX800/LX900) и решения на базе системы команд RISC-процессоров ARM (Marvell PXA320, Freescale i.MXnn).

Самыми известными производителями процессоров данной архитектуры являются фирмы Qualcomm, Marvell, Apple и Samsung. Их разработки используются не только в мобильных устройствах собственного производства, например Apple iPhone, но и в изделиях сторонних производителей, таких как HTC или Nokia.

Intel® Atom™


На базе процессоров Intel® Atom™ создаются разнообразные устройства, в том числе планшетные ПК, смартфоны, нетбуки, гибридные устройства, бытовая электроника и настольные ПК начального уровня. Процессоры Intel® также оптимизированы для разнообразных ОС. В сочетании с наборами микросхем Intel® SM35 Express процессор Intel Atom поддерживает операционные системы Windows, MeeGo и Android.

Кроме того, они обеспечивают достаточно высокую производительность для поддержки HD-видео с разрешением 1080p. Низкое энергопотребление процессоров Intel Atom обеспечивает длительное время автономной работы.

Процессоры Intel Atom могут содержать одно или два ядра, они изготавливаются по 45 нм-технологии. Тактовая частота варьирует от 1,5 до 2,13 гигагерц. В некоторых моделях реализована поддержка технологии Intel® 64 и Intel® Virtualization (VT-x)[1].

APPLE A4/A5


До недавнего выхода iPad 2 последним продуктом компании являлась платформа Apple A4. В ее основе - разработанный совместно с Samsung одноядерный процессор S5L8930 на архитектуре ARM Cortex-A8. Частота процессора достигает значения 1000 МГц для iPad и 800 МГц для iPhone 4. Мощности вполне достаточно, чтобы снимать и воспроизводить HD-видео стандарта 720p, обеспечить отзывчивую работу и плавную прорисовку интерфейса [13].

Платформа поддерживает память типа LPDDR, в одноканальном режиме подключенную по специальной скоростной шине AMBA 3 AXI шириной 64 бит. Типичный устанавливаемый по технологии PoP (в едином корпусе, но не на одном кристалле!) объем памяти 256-512 Мб вполне достаточен для текущих запросов мобильных приложений [13].

На кристалле также интегрирован видеопроцессор PowerVR SGX 535 от компании Imagination, поддерживающий API OpenGL ES версии 2.0. Данный графический процессор, несмотря на немолодой по современным меркам возраст, способен поддерживать игры с достаточно сложной 3D-графикой и спецэффектами на основе шейдеров второго поколения. Кстати, идентичное видеоядро применялось в одном из первых в мире нетбуков ASUS Eee PC - Intel GMA500 IGP [13].

В зависимости от модели платформа оснащается сторонними модулями Wi-Fi стандартов 802.11a/b/g/n, Bluetooth 2.1+EDR, GPS и HSDPA/Edge. Для хранения данных и операционной системы в состав платформы входит 8-64 Гб энергонезависимой памяти типа NAND. Традиционно для продукции Apple присутствуют акселерометр, гироскоп, магнитный компас и датчик освещения, управляющий яркостью подсветки. В качестве операционной системы используется только "родная" ОС от Apple - iOS 4 (бывшая iPhone OS) [13].

Кстати, нередко отмечаемые недостатки устройств на данной платформе, отсутствие поддержки технологии Adobe Flash, кард-ридера или USB-порта являются следствием идеологии компании, а отнюдь не техническими недоработками [13].

В начале марта нынешнего года компания Apple выпустила новую платформу Apple A5. В данный момент она используется в планшете iPad 2, и, вероятнее всего, на ее основе будут представлены новые iPhone и iPod пятого поколения. Процессор, как и для платформы А4, разрабатывался совместно с компанией Samsung. Он основан на модифицированной архитектуре ARM Cortex A9, имеет частоту 1ГГц и теперь уже два ядра. Память типа LP DDR2 стала работать на более высокой частоте 1066 МГц. В качестве видеопроцессора применяется новый PowerVR SGX543, в несколько раз превосходящий по мощности прежнее решение. Несмотря на значительно возросшую мощность процессора и видеоядра, разработчикам Apple удалось сохранить экономичность платформы на прежнем уровне [13].

VIA Nano


Процессоры, объединенные в линейку Nano, разработаны на базе 64-разрядной суперскалярной микроархитектуры, предназначаются для встраиваемых систем и поддерживают технологию виртуализации VIA VT, что стало шагом в сторону предстоящих программных обновлений, в том числе Windows Embedded Standard 7. Новые процессоры будут располагать тактовыми частотами от 800 МГц до 1,8 ГГц и совместимостью с встроенными системными медиапроцессорами VIA. Новая серия включает в себя пять процессоров: U3400 (тактовая частота - 800 МГц), U3500 (1 ГГц), U3300 (1,2 ГГц), U3100 (1,3 ГГц) и L3050 (1,8 ГГц), совместимых с памятью формата DDR2 и DDR3 и системной шиной с частотой 800 МГц. Сильной стороной новинок станет технология энергосбережения. Безопасность обеспечивается благодаря аппаратному шифрованию данных по технологии VIA PadLock Security Engine. Вероятно, в скором времени этими процессорами будут оснащены цифровые терминалы, бортовые компьютеры, промышленные системы, "умная" бытовая электроника и прочее [2].

AMD LX800/LX900


Максимальная тактовая частота - 600 МГц;
Ядро - 32-разрядное, полностью совместимое с x86/x87; Выполнение приложений Windows и Linux без перекомпиляции;
Кэш-память первого уровня (команд/данных) - 64/64 Кб;
Интерфейс памяти - 64-разрядный DDR, 600 МГц;
Поддержка наборов команд Intel MMX and AMD 3D Now!
Внутренняя шина - GeodeLink, 9 Гб/с;
Поддержка 128-разрядного шифрования по алгоритму AES (CBC/ECB)
Встроенный графический процессор и дисплейный контроллер, разрешения - 1920x1440 (CRT) и 1600x1200 (LCD) пикселей;
Поддержка VESA 1.1 и 2.0 VIP/VDA.
Микропроцессор выпускается по нормам 0,13 мкм.

Одновременно компания представила два набора разработчика, ориентированных на процессоры AMD Geode LX: AMD Geode LX Network Attached Storage (NAS) RDK, предназначенный для разработчиков устройств для хранения и совместного доступа к видео- и звукозаписям, другим данным; и AMD Geode LX Ultra Value Clients (UVC) RDK, ориентированный на создателей портативной электроники, включая UMPC, одноплатные ПК и сетевые терминалы [3].

Marvell PXA320


Характеристики микропроцессора Marvell PXA320 следующие:
тактовая частота - 806 МГц
кэш второго уровня - 256 KB
поддерживаются технологии Intel SpeedStep и MusicMax, а также Wireless MMX 2 2D
поддержка 5-мегапиксельные камеры (реализована в Apple iPhone)
Флэш-память: 64-256 MB NAND Flash
ОЗУ - 64 - 256 MB DDR
USB - 1 слот
Последовательные порты: 3 порта 3 UARTS
Беспроводная периферия: WiFi, Bluetooth, GPS (на дочерней плате)
Проводная периферия: Ethernet, множественный SPI/SSP, I2C, GPIOs (на дочерней плате)
Аудио: 20-бит стерео кодек с прямым подключением к микрофону и стереонаушникам, совместим с AC97
Видео: вплоть до SVGA (800x600), включая тачскрин и подсветку экрана
Поддерживает Windows® CE и Linux
Энергопотребление: менее одного ватта [4].

Freescale i.MXnn


Тактовая частота - 533 МГц.

Имеется встроенное устройство для обработки чисел с плавающей точкой, и поэтому он предназначен, в первую очередь, для использования в приложениях, требующих интенсивных вычислений и быстрое время исполнения, например в системах обработки графической информации.

Обеспечивается поддержка OpenGL-ES и мобильной версии Direct3D.

Память до 256 Мбайт DDR, до 256 NAND флэш-памяти, SD/MMC и CompactFlash, интерфейсы-CAN 2.0b, 10/100BASE-T Ethernet, GPIO, PWM, LCD, аудиокодек AC'97, до 5 последовательных портов, USB, I2C, SPI и клавиатура 8_8. Поддерживается операционными системами Windows CE 5.0, 6.0 и Linux [5].

Накопитель

В качестве жесткого диска в сверхмобильных системах применяется энергонезависимая NAND или flash-память. Ее преимуществами, в сравнении с типичным накопителем на магнитных дисках, являются сверхкомпактные размеры, низкое энергопотребление и устойчивость к внешним физическим воздействиям (удары, вибрация), что особенно важно для мобильных устройств, учитывая обычные условия их эксплуатации.

Объем установленной flash-памяти, как правило, зависит от позиционирования продукта в линейке: 8-16 Гб для бюджетных моделей и десятки гигабайт - для более дорогих имиджевых модификаций.

Во многих мобильных устройствах присутствует дополнительный разъем для установки стандартных карт SD или microSD, что позволяет значительно увеличить доступное пользователю "дисковое" пространство [13].

Средства связи

Фактически обязательным элементом сверхмобильных платформ стали сетевые интерфейсы, проводные и (или) беспроводные - в частности, 100 Мбит/1 Гбит Ethernet, Wi-Fi стандартов 802.11b/g/n и Bluetooth. За них отвечает отдельный сетевой контроллер, как правило, разработки Broadcom или Atheros [13].

Поддержка беспроводной сети Wi-Fi позволяет, при наличии точки доступа, легко интегрировать мобильный гаджет в домашнюю сеть и обмениваться данными между ним и основными устройствами (настольный ПК, ноутбук, домашний файловый сервер или NAS). А в некоторых заведениях - например, гостиницах, залах ожидания в аэропортах, интернет-кафе и закусочных McDonald's, - есть бесплатная услуга выхода в Интернет [13].

В отличие от медиаплееров, смартфоны и некоторые планшеты дополнительно оснащаются модулями GSM/GPRS, позволяющими совершать звонки, используя сотовую связь, или самостоятельно выходить в Сеть [13].

Системы, предназначенные для использования в GPS-навигаторах, а также смартфоны с аналогичной функцией дооснащаются GPS-приемником, обеспечивающим связь с навигационными спутниками NAVSTAR [13].

Оперативная память

Как в любой компьютерной системе, одним из обязательных элементов SoC является оперативная память. Преимущественное распространение получил тип памяти LPDDR (Low Power Double Data Rate - память с низким энергопотреблением и удвоенной скоростью передачи данных). Несмотря на сходство с названиями DDR2 и DDR3, новый тип памяти несовместим с этими стандартами напрямую из-за примененных в LPDDR многочисленных микроархитектурных решений, призванных существенно снизить энергопотребление [13].

Типичный объем оперативной памяти в современных мобильных устройствах за последнее время существенно возрос (с 128 до 512 Мб-1 Гб) и фактически соответствует объему ОЗУ настольных ПК трех-четырехлетней давности, позволяя использовать новейшие мобильные операционные системы и приложения, которые по своей функциональности мало в чем уступают настольным аналогам [13].

Дисплеи

В современных гаджетах применяются сенсорные дисплеи двух типов: емкостные и резистивные. Первые обладают более высокой прозрачностью и, следовательно, требуют менее мощной подсветки для обеспечения высокой яркости и контрастности - это положительно сказывается на энергопотреблении, позволяя увеличить время автономной работы мобильного устройства. Кроме того, емкостные экраны лучше реагируют на легкое касание пальцем, тогда как для четкого срабатывания резистивного экрана требуется некоторое усилие при нажатии - оптимальным является ввод с помощью стилуса. Впрочем, в 2008 году компания HTC разработала и запатентовала электронное перо для работы с емкостными экранами, специально предназначенное пользователям, привыкшим к управлению с помощью стилуса и не желающим переходить на "пальцевый" метод [13].

Дополнительным преимуществом емкостных экранов является возможность определения нескольких нажатий сразу (технология Multitouch). Типичный размер экрана для планшета составляет 7-10 дюймов (18-25 см) по диагонали, с разрешающей способностью от 800х480 до 1280x800 точек. У смартфонов и медиаплееров диагональ равна, как правило, 3-4 дюймам (7-10 см), а разрешение экрана варьируется от скромных 320х200 до впечатляющих 960х640 точек (Retina display в новых iPhone и iPod touch) [13].

Порты ввода-вывода

Мобильные и встраиваемые системы могут иметь разнообразные проводные и беспроводные порты ввода вывода. Они обычно содержать USB-порты, последовательные порты, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, встречается поддержка GPS.


Встраиваемая компьютерная система eBox 2300 X86


Вид задней панели eBox 2300 [6]

Мультимедийные возможности

Как уже описывалось выше, многие специализированные микропроцессоры имеют встроенные графические процессоры, обеспечивающие поддержку видео высокого разрешения, встречается поддержка сенсорного экрана и ускорители трехмерной графики. Многие микропроцессоры, предназначенные для мобильных или встраиваемых систем, имеют встроенные аудиокодеки. Все это делает возможным их применение в сотовых телефонах, мультимедийных киосках и других развлекательных устройствах.

Лекция 1: 12 || Лекция 2 >
Эварист Аминев
Эварист Аминев
Россия, Уфа, Башкирский государственный университет, 1986
Олег Корсак
Олег Корсак
Латвия, Рига