9 лет назад 24 ноября 2011 в 17:35 900

Все помнят, что весной Apple представила iPad 2. Аналитики рынка портативных устройств моментально спрогнозировали успешные продажи нового гаджета на протяжении всего года. Что же обеспечило ему признание у потребителей?

Прежде чем углубляться в изучение характеристик «яблочных» девайсов, нужно понять саму идею мобильной платформы. Итак, безусловно, «сердцем» любого устройства, способного к обработке цифровых сигналов, является микропроцессор. Большинство их используются для управления производством, различной бытовой техникой, бортовой электроникой автомобилей и самолетов. Но есть еще специализированный класс микросхем, которые способны решать различные прикладные задачи, получившие название «микроконтроллеры».

В корпусе микроконтроллера помимо самого ядра находится некоторое количество функциональных узлов, позволяющих задействовать микроконтроллер как самодостаточную систему на кристалле. При всех очевидных преимуществах контроллеры имеют довольно низкую производительность, и их можно найти лишь в простейших моделях мобильных телефонов. Если не брать в расчет такую отдельную ветку развития камней, как DSP, то единственным подходящим для создания продвинутых мобильных платформ окажется универсальный тип микропроцессоров.

Нет процессора – сделай его!
Универсальный микропроцессор – эдакий «рубака», способный справиться с любыми вычислительными задачами. Однако данный тип CPU зачастую имеет большое энергопотребление, что является критичным для любого мобильного устройства, где каждый миллиампер на счету. Если сейчас при относительно большом потреблении энергии CISC-процессоры показывают довольно хорошую производительность, то в начале 80-х они этого качества были лишены. Оценив реальную потребность рынка в производительных процессорах с низким энергопотреблением, инженеры компании Acorn провели исследование популярных в то время архитектур.

Наибольшее распространение на тот момент получили гибридные 16- / 32-разрядные процессоры серии Motorola 680×0, восьмиразрядные MOS Technology 6502 и Intel 8080. Микропроцессор 6502 имел крайне низкую цену, но к тому моменту безнадежно устарел, Intel 8080 не обладал достаточной вычислительной мощностью и здорово проигрывал первым двум по соотношению «производительность-стоимость». Чипы от Motorola не подходили по параметру «потребляемая мощность», хотя в остальном полностью укладывались в нормативы, поставленные инженерами Acorn.

Таким образом, изучив все доступные на тот момент процессоры и найдя их неподходящими, сотрудники компании Acorn поняли, что для создания мощного и экономичного камня нужна принципиально новая архитектура. Выбор был сделан в пользу RISC-архитектуры, разработкой которой занималась группа студентов в университете Беркли.

Проектирование нового процессора началось на чистом энтузиазме двух инженеров Acorn: Стива Фербера и Софи Уилсон. Они создали набор команд микропроцессора и, проведя его моделирование на базе компьютера Acorn BBC micro, получили обнадеживающие результаты, убедившие руководство компании в целесообразности продолжения работ в данном направлении.

Ну, а дальше – дело техники: собралась группа аппаратчиков, которые, предварительно «почесав репу», предложили практическую реализацию новой архитектуры в доступной на тот момент элементной базе. Первый рабочий камень был выпущен на заводах VLSI Technology 26 апреля 1985 года, он получил имя ARM1 (Acorn RISC Machine), дав название и самой архитектуре.
Микропроцессор имел все преимущества технологий RISC (о них читайте во врезке). Он использовал архитектуру доступа к памяти, сходную с оной у процессоров MOS Technology 6502, где присутствовало много удобных режимов адресации, а некоторые из них даже позволяли адресовать определенную область ОЗУ как регистры процессора.

 

Спустя год появился серийный микропроцессор ARM2. Он имел 32-разрядную шину данных, 26-разрядное адресное пространство и потреблял менее 1 Вт мощности. Состоял процессор всего из 30 000 транзисторов, что достигалось за счет простоты архитектуры, отсутствия встроенного кэша и микрокода. По производительности этот кремниевый трудяга в несколько раз превосходил Intel 80286, поэтому компания Acorn немедленно начала комплектовать выпускаемые ею компьютеры общего назначения (Acorn Archimedes) новым CPU.

Однако продвижению перспективного продукта препятствовала агрессивная рекламная политика Intel, AMD, Motorola и других «акул вычислительного бизнеса». Производственные мощности Acorn также не позволяли конкурировать с ведущими компаниями. Поэтому подразделение Acorn, отвечающее за ARM, было преобразовано в исключительно девелоперскую контору, именуемую Advanced RISC Machines. Сотрудники нового предприятия занимались (и делают это по сей день) инжинирингом ядер архитектуры ARM «на продажу».

Купив такое процессорное ядро, любая компания-производитель, например Nintendo, вправе снабдить его дополнительными устройствами, например контроллерами ввода-вывода собственной разработки, подобрать необходимую для конкретной области применения элементную базу и начать выпуск чипов под собственным брендом.

Первая ласточка – КПК Apple Newton на ARM6
Избавившись от необходимости заниматься затратным производством кристаллов, ведения активной рекламной политики и прочей суеты, инженеры компании Acorn полностью сосредоточились на улучшении архитектуры ARM. Незначительно увеличив количество необходимых для реализации схемы транзисторов, разработчики добавили на кристалл кэш, максимально приблизив новый ARM3 к Intel 80386. А когда в 1987 году процессоры семейства ARM6 получили 32-разрядную шину адреса, Acorn стала предлагать полноценный универсальный 32-разрядный микропроцессор.
В начале 90-х камнями британской компании заинтересовались специалисты Apple, которые в это время занимались созданием КПК Apple MessagePad (Newton).

По замыслу инженеров, Newton должен был перевернуть представление пользователей о персональных компьютерах. Сия инновационная концепция накладывала некоторые ограничения на комплектующие, суммарная потребляемая мощность которых должна быть низкой для продолжительной работы устройства. Потребляющий менее 1 Вт производительный микропроцессор ARM6 для Newton подходил для поставленной задачи как нельзя лучше. И хотя Newton так и не смог обрести успех на рынке КПК, начало многолетнему сотрудничеству Apple и Acorn было положено.

Хит #1 ARM7, Nintendo и снова Apple
В 90-е годы наблюдался некоторый застой в продвижении архитектуры ARM. Эти экономичные микропроцессоры уже никак не могли конкурировать с универсальными микропроцессорами Intel и AMD на рынке настольных компьютеров ввиду того, что последние имели практически неограниченный запас по мощности. Для телефонов и плееров производители в те годы выбирали максимально упрощенную начинку.

Вспомните сами эти аппараты 90-х – начинающие в те годы набирать популярность мобильные телефоны весили с полкило и могли послужить владельцу неплохим средством самообороны. О функциональной насыщенности тогдашних девайсов и говорить нечего, в основном они использовались исключительно по назначению (позвонить). От вычислительных узлов плееров также не требовалось «сверхъестественных способностей» – простой однокристальный ЦАП обрабатывал поток ноликов и единиц, считываемый с диска, не нуждаясь в процессоре. Никакой многозадачности и прочей мультимедии еще не придумали. Однако в стенах некоторых компаний уже рождался перспективный план по проведению новой технической революции на рынке мобильных устройств.

Nintendo планировала выпустить революционную портативную игровую консоль Game Boy, «яблочники» на тот момент мечтали изменить представление человечества о плеерах. Выбор обеих компаний был сделан в пользу самой совершенной архитектуры Acorn – ARM7TDMI. Потреблял этот процессор всего 0,25 мВт на 1 МГц частоты, имел трехстадийный конвейер и поддерживал режим Thumb, позволяющий заменять 32-битные команды на 16-разрядные, что позволяло повысить общую плотность кода. Такое технологическое чудо помогло быстро завоевать популярность продуктам обеих фирм.
Помимо инновационного процессора Apple iPod имел на борту от 5 до 10 Гбайт свободного места на жестком диске, шустрый интерфейс и эргономичный дизайн. И лишь одно обстоятельство могло отпугнуть потенциального клиента – цена, которая была непомерно высока: $499. Являясь для некоторых покупателей запредельной, она была в большой степени оправданной, так как производство новых на тот момент процессоров еще не было отлажено, и их себестоимость оставалась высокой.

В скором времени лицензию на выпуск процессоров ARM-архитектуры приобрела нидерландская компания NXP Semiconductors – один из крупнейших мировых производителей полупроводников. Себестоимость ARM-микропроцессоров существенно снизилась, в связи с чем остальные изготовители портативной и не очень техники начали предлагать на рынке собственные «интеллектуальные», «революционные», «совершенные» и прочая, и прочая девайсы. В большинстве этих аппаратов стояли процессоры архитектуры ARM9. По сути, это была хорошо отшлифованная версия старого доброго ARM7TDMI с пятиступенчатым конвейером и аппаратной поддержкой DSP-инструкций. Никаких прорывных проектов на рынке микропроцессоров не отмечалось.

И тому было свое объяснение – отсутствие удобных и функциональных устройств ввода-вывода, из-за чего возможности ARM-архитектуры не использовались в полной мере. Производители всеми силами пытались найти замену пресловутой навигационной клавише. Рассматривалось несколько возможных путей повышения удобства ввода информации в портативное устройство: от традиционных – применения QWERTY-клавиатуры, сенсорного резистивного экрана со стилусом – до такой экзотики, как внешние манипуляторы и клавиатуры. Жалко, что перечисленные способы общения с гаджетом неизбежно ведут к увеличению габаритных размеров устройства и росту энергопотребления, хотя при грамотной реализации могут заметно улучшить эргономику любого портативного девайса.

А тем временем…
Пока различные разработчики мобильных устройств продолжали штамповать однотипные портативные гаджеты, одновременно отыскивая способы улучшить их функциональность и удобство использования, специалисты компании Apple не сидели сложа руки. В середине 2000-х они совместно со сотрудниками Motorola занимались «прокачкой» популярного в те годы мобильного телефона Motorola E398, постепенно превращая его в плеер с поддержкой iTunes.

Аппаратная начинка девайса практически не подверглась усовершенствованиям. А вот над системным ПО специалисты Apple потрудились серьезно, притом они не просто «прикрутили» вышеназванный музыкальный сервис, а переработали всю операционную систему. Обновленный гаджет (Motorola ROKR E1) не сильно приглянулся покупателям, не желающим «платить второй раз за такой же телефон». Со временем «яблочная» компания отказалась от дальнейшего сотрудничества с Motorola, но участие в проекте ROKR позволило получить программистам Apple бесценный опыт по разработке мобильных операционных систем.

Естественно, «яблочники» не могли прекратить сотрудничество с крупнейшим производителем мобильников, не подготовив предварительно плацдарм для проведения собственной «наступательной операции» на рынок мобильных устройств. Еще весной 2005 года Стив Джобс проводит первые тайные переговоры с крупнейшими операторами сотовой связи в США: Cingular (сейчас AT&T) и Verizon. Глава Apple хотел заручиться поддержкой одной из этих компаний, чтобы ускорить продвижение своего инновационного девайса на рынке мобильной связи. Собственно говоря, на момент переговоров никакого устройства или хотя бы детального его проекта у Джобса не было, ведь разработка гаджета еще даже не начиналась.

Зато была идея, что это должен быть телефон с поддержкой технологий Multitouch, и твердое намерение сделать лучший в мире аппарат, после релиза которого конкурентам Apple останется только нервно кусать локти. После долгих обсуждений топ-менеджеры Cingular подписывают контракт с Apple, согласно которому компания-оператор обязуется вкладывать деньги в рекламу и маркетинг устройства, а взамен получает эксклюзивные права на продажу девайса, дополнительные отчисления из iTunes и $10 с каждого реализованного аппарата.

В январе 2007 года на международной выставке MacWorld состоялся официальный анонс iPhone. Выступая с презентацией, глава компании Apple Стив Джобс сказал: «Сегодня мы представляем три революционных, новых продукта. Первый – это широкоэкранный плеер с сенсорным управлением. Второй – революционный мобильный телефон. И третий – это устройство для общения в интернете. iPod, телефон, мобильный коммуникатор… и это не три отдельных устройства».

Действительно, первый iPhone был не просто телефоном – он гармонично сочетал в себе функции всех вышеперечисленных устройств, при этом существенно от них отличаясь. Достигалось это благодаря мощной аппаратной начинке и качественному ПО. Начнем с первой. Как я уже упоминал, краеугольным камнем первого iPhone нужно считать именно технологию Multitouch, которая максимально упрощает сенсорный ввод.

Джобс не раз заявлял журналистам, что идея создать сенсорный планшетник подтолкнула инженеров компании к разработке экрана, способного поддерживать множественные касания. Мысль об использовании такой технологии применительно к мобильникам показалась главе Apple более здравой, чем создание «еще одного» планшета. Так, можно сказать, iPhone обзавелся той самой изюминкой, которая и приглянулась покупателям.

Вследствие наличия столь требовательной к вычислительным ресурсам фичи, как Multitouch, девайс необходимо было оснастить мощным процессором. Выбор был сделан в пользу камня архитектуры ARMv6KZ, а именно Samsung S5L8900. Естественно, компания Apple сохраняла в тайне все «железячные подробности». Однако примерно полгода спустя после анонса устройства группа людей, обладающих хакерскими наклонностями, сумела-таки выцепить информацию о начинке девайса из попавшей в Сеть прошивки.

Оказалось, что процессор функционировал на частоте 412 МГц, тогда как на сайте www.arm.com заявлялось, что ядро ARM1176 (на базе которого построен чип S5L8900) поддерживает частоту от 800 до 1000 МГц. Внимательный читатель, наверное, уже догадался, зачем «яблочники» произвели такой дьявольский даунклок. Все снова упирается в проблему энергопотребления, которая особенно важна при проектировании мобильных устройств. Иными словами, чем горячее камушек, тем чаще аппарат будет нуждаться в подзарядке. Для сравнения: заявленное на MacWorld время автономки составляло 5 ч в режиме разговора, к моменту релиза этот же параметр равнялся 8 ч.

Даже принимая во внимание то, что процессор работал не в «полную силу», существовал ряд проблем с мобильной операционной системой, а сам телефон не поддерживал стандартов 3G, продажи «яблокофонов» били все рекорды. Поначалу, правда, обычных покупателей отпугивала цена, которая даже по американским меркам была приличной ($599 за 8-гигабайтную версию гаджета), однако в IV квартале 2007 года продажи достигли более 1 млн аппаратов.

Покупатель постепенно осознавал, что за 600 баксов он получает не просто телефон, а медиакомпьютер карманного форм-фактора. Создание таких и подобных ему устройств стало возможным исключительно благодаря применению в них универсальных процессоров архитектуры ARM, с низким энергопотреблением, мастеров на все руки. Сейчас большинство мобильников, выставленных на витринах, несут на борту камни именно этой архитектуры. Так что, если у вас еще остался где-нибудь сотовый телефон на базе микроконтроллеров прошлого поколения, ни в коем случае не продавайте его: лет через 50 он будет стоить миллионы (жадный смайл).

А в следующей статье рассмотрим конкретные модели «яблочных» телефонов подробнее, определимся с перспективами мобильных платформ в целом и архитектуры ARM в частности. UP

Зеркало души гаджета
Эволюция сенсорных экранов тесно связана с развитием самих технологий изготовления матриц. Только с появлением на мобильных аппаратах широких дисплеев стало возможным трансформировать их в «сенсорный дисплей» или, чем черт не шутит, multitouch-дисплей. Под термином «сенсорный экран» нужно понимать совокупность сенсорной панели и непосредственно дисплея.Лет пять назад большой популярностью пользовались резистивные экраны.

Они состоят из проводящей стеклянной пластины, тонкой мембраны с внешней стороны дисплея и слоя диэлектрика между ними. При нажатии происходит «продавливание» мембраны до проводящего слоя стекла, изменяется сопротивление между обрамляющими мембрану (стекло) электродами, соответственно меняется и падение напряжения.

В зависимости от величины этого изменения вычисляется координата касания. Такие экраны достаточно дешевы в производстве, но их прозрачность недостаточна для получения высококачественной картинки. Ввиду этого совместно с матрицами высокого разрешения применяется проекционно-емкостный вид сенсора.

В таких дисплеях на внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов (матрица контактных площадок). При приближении пальца к экрану происходит изменение емкости между электродами, которое фиксируется электроникой.

Чувствительность такого экрана можно настроить программно таким образом, чтобы он реагировал не только на касания, но и на приближение манипулятора, в качестве которого обычно выступают пальцы оператора. Однако, ограничив «диапазон емкостей» и настроив экран исключительно на распознавание человеческих пальцев, производитель лишает юзера возможности использовать стилус и приложения с малыми размерами виртуальных кнопок.

Понижается информативность интерфейса.Существуют также индуктивные экраны, реагирующие только на специальный стилус с определенной индуктивностью. Такой тип экрана нередко применяется в графических планшетах и некоторых электронных книгах.Но именно проекционно-емкостной тип сенсора стал в настоящее время наиболее популярным, а что будет дальше, пока неизвестно. Может, детектор альфа-волн головного мозга?

 

 

RISC’овая архитектура
Идеология RISC-архитектуры начала складываться в начале 80-х годов, когда встал вопрос о нахождении альтернативных методов повышения производительности. До этого момента роста мощности платформы добивались в основном за счет увеличения тактовых частот, перехода к более совершенному техпроцессу, расширения разрядности шин адреса и данных. В то же время повышение удобства программирования достигалось включением в набор инструкций процессоров все новых и новых операций и режимов адресации. Однако не все команды камня были востребованы в равной степени.

Озаботившись этим фактом, различные группы исследователей провели подробный анализ статистики использования различных инструкций процессора. Оказалось, что 80% машинного времени занимает выполнение 20% команд, входящих в состав системы команд (так называемое правило «80 / 20»). По результатам исследований было принято решение создать процессор, в котором аппаратно реализовывалась бы наиболее востребованная часть команд, а остальные бы просто отсутствовали либо реализовывались программно.

Таким образом, сложилась идеология вычисления с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computing). Основными принципами RISC-архитектуры являются малое количество команд (часто от 70 до 100), большинство из которых выполняется за 1 такт, простые режимы адресации (команды оперируют исключительно содержимым регистров процессора) и простой формат команд.

Использование простого формата инструкций позволило уменьшить блок управления командами в десять раз, что повлекло за собой снижение энергопотребления. Исключительно регистровая адресация в командах позволила безболезненно внедрить в RISC-процессорах конвейерный принцип обработки информации. Большое количество регистров процессора также создает хорошую основу для функционирования оптимизирующих компиляторов, позволяющих организовать параллельные вычисления.

Благодаря вышеназванным положительным аспектам RISC-архитектуры она получила большое распространение в параллельных вычислениях, мобильных устройствах и серверных станциях.

Продолжение следует…

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?