Intel PXA26x - поколение "NEXT"

Весной 2003 года Intel объявила о выпуске нового семейства процессоров Intel PXA26х с архитектурой XScale ориентированных на компактные высокопроизводительные мобильные устройства с низким энергопотреблением.

Для начала немного истории. Выпуск семейства PXA26х - совершенно закономерен, ведь главная область их применения, один из самых быстроразвивающихся и высокотехнологичных рынков - рынок карманных компьютеров и "умных" телефонов. Это область, в которой еще не достигнута производительность и функциональность портативного устройства, которая устроила бы всех пользователей. Новые интегрированные средства высокоскоростного беспроводного доступа в Интернет, цветные экраны, встроенные фото и видеокамеры, а также множество других функций появляющихся в электронных помощниках требуют от процессора все большей производительности. В свою очередь, компактные размеры карманных устройств и ограниченная емкость аккумуляторов требуют все более экономичного энергопотребления. Чтобы понять, как из этой непростой ситуации выходят разработчики Intel, давайте рассмотрим и проанализируем основные характеристики PXA26х. Однако наш обзор был бы не полным, если бы мы не затронули предварительно один весьма щекотливый момент.

Работа над ошибками

Самым примечательным в выпуске семейства PXA26х является тот факт, что в то же самое время Intel выпустила еще один новый процессор - Intel PXA255. Модель PXA255 - это замена процессора PXA250. На такой шаг Intel видимо вынудила неудовлетворительная производительность последнего, несмотря на высокую тактовую частоту работы ядра 400 МГц. Как оказалось, устройства созданные на базе PXA250 и запущенные на 400МГц имеют практически такую же производительность, что и 206-мегагерцовый процессор StrongARM, т.е. двойная разница частот, а соответственно и большая цена не дают ни какого эффекта! К сожалению, представители Intel не комментируют данную особенность PXA250 и стараются ее не афишировать. Они пошли самым простым путем, порекомендовали всем разработчикам заменить PXA250 на модель PXA255. Благодаря тому, что оба процессора идут в абсолютно идентичных корпусах PBGA (17x17 мм, 256 контактов), совместимы "pin to pin" и практически не имеют отличий в микроархитектуре (за исключением регистра идентификатора процессора ID), PXA250 легко заменяется на PXA255.

Модель PXA255 - это переработанная версия PXA250 с немного расширенными функциональными возможностями. Главным отличительным признаком PXA255 является удвоенная частота внутренней системной шины (System Bus) процессора - 200 МГц. System Bus связывает XScale ядро работающее на частотах 200, 300 и 400МГц с интегрированной периферией и контроллерами памяти (см. рис.1). В процессоре PXA250 частота System Bus составляет 100 МГц и именно низкую пропускную способность этой шины большинство независимых экспертов называли узким местом PXA250. Поэтому, только начиная с процессора PXA255 проявляется во всей красе мощь и производительность архитектуры XScale.

Процессор PXA255 и модели из семейства PXA26х имеют практически идентичную архитектуру, а, кроме того, более совершенные процессоры PXA26х обладают всеми без исключения возможностями PXA255. Поэтому имеет смысл рассмотреть основные характеристики именно самого младшего представителя - PXA255, а потом поговорить о дополнительных возможностях предоставляемых семейством PXA26х.

Для начала обратимся к архитектуре PXA255. Она приведена на рис. 1.

Рис. 1. Архитектура PXA255

Перечислим и кратко поясним основные функциональные возможности PXA255:

• высокопроизводительное 32-разрядное ядро с архитектурой XScale и возможностью работы на частотах 200, 300 и 400 МГц;
• ARM архитектура v.5TE;
• суперконвейерная RISC архитектура Intel использующая преимущества технологии 0,18 мкм. и обеспечивающая высокую производительность ядра при низком энергопотреблении.
• расширенные возможности по обработке звука и видеоизображений "Intel® Media Processing Technology" включая 40 разрядный аккумулятор и 16-разрядные SIMD инструкции;
• специальные режимы пониженного энергопотребления и "Turbo", оптимизирующие работу процессора и продлевающие время работы от аккумуляторов;
• кэш команд и данных по 32 Кбайт;
• специальный кэш 2 Кбайт для потоковых данных;
• поддержка памяти с напряжениями питания 2,5В и 3,3В;
• LCD контроллер (LCD Controller) поддерживающий одно и двух панельные жидкокристаллические дисплеи с активной и пассивной матрицей (рекомендуемое разрешение - 640х480, максимальное - 1024х768; поддерживается до 16 разрядов цвета в цветном режиме и до 256 оттенков серого в черно-белом);
• интегрированные контроллеры памяти:
• контроллер 16/32 разрядной памяти SDRAM, SMROM (4 банка);
• контроллер 16/32 разрядной памяти ROM/Flash/SRAM (4 банка);
• контроллер PCMCIA/Compact Flash с частотой шины 100МГц;
• контроллер прямого доступа к памяти (DMA Controller) поддерживающий прямую пересылку данных между основной памятью и внутренними/внешними устройствами по 16 каналам с двумя уровнями приоритетов;
• системный управляющий модуль, включающий 17 отдельных линий ввода/вывода (General Purpose I/O), каждая из которых может использоваться как вход прерывания;
• часы реального времени (RTC);
• сторожевой таймер/обычный таймер (OS Timer);
• 2 независимых широтно-импульсных модулятора (PWM);
• контроллер прерываний (Int. Controller);
• контроллер управления пониженным энергопотреблением и синхронизацией (Cloks & Power Man.);
• контроллер I2S (Inter-IC Sound) для передачи цифрового стереозвука по последовательному каналу в стандартный внешний I2S кодек (поддерживаются форматы Normal-I2S and MSB-Justified I2S);
• контроллер синхронной двухпроводной последовательной шины I2C (Inter-Integrated Circuit) поддерживает режимы быстрой передачи данных - 400Кбит/с и стандартной - 100Кбит/с;
• контроллер AC97 с поддержкой кодеков AC'97 rev. 2.0 и частотой дискретизации до 48кГц (контроллер обеспечивает независимые 16 разрядные цифровые каналы для стерео-входа, стерео-выхода, модемного входа/выхода и входа микрофона, для воспроизведения звука требуются внешние ЦАП);
  Примечание - контроллер AC97 и контроллер I2S не могут работать одновременно.
• четыре универсальных асинхронных приемопередающих последовательных порта (UART) с доступом посредством каналов DMA или линий ввода/вывода включающих в себя:
• полнофункциональный UART (предназначен для подключения модемов, скорость передачи данных до 230,4 Кбод);
• Bluetooth UART (канал для подключения Bluetooth модуля, скорость передачи данных до 921,6 Кбод);
• стандартный UART ("классический" последовательный канал, скорость передачи данных до 230,4 Кбод);
• аппаратный UART (многофункциональный программируемый UART функционально совместимый со спецификациями UART 16550A и 16750, имеет буферы по 64 байта на передачу и прием данных, скорость передачи данных до 921,6 Кбод).
  Примечание. На базе любого из четырех UART может быть создан низкоскоростной инфракрасный порт (Slow IrDA) со скоростью передачи данных до 115,2Кбод.
• высокоскоростной полудуплексный ИК-порт (Fast IrDA) со скоростью передачи данных до 4 Мбод обеспечивающий прямое подключение к внешнему ИК-передатчику;
• полнодуплексный синхронный последовательный интерфейс (SSP) обеспечивает обмен данными на скоростях от 7,8 КГц до 1,84 МГц, SSP предназначен для подключения к самой различной внешней цифровой периферии: АЦП, звуковым и телекоммуникационным кодекам, а также к любым другим устройствам, использующим последовательный канал для передачи данных; SSP контроллер используется только в режиме "ведущего", поддерживаются протоколы: Microwire (National Semiconductor), Synchronous Serial Protocol (Texas Instruments) и Serial Peripheral Interface (Motorola);
• сетевой синхронный последовательный порт NSSP (Network Synchronous Serial Protocol), как и SSP оптимизирован для подключения к внешним устройствам, поддерживающим протоколы Microwire, Synchronous Serial Protocol и Serial Peripheral Interface, однако имеет некоторые отличия: работа по протоколу Microwire ведется в полудуплексном режиме, максимальная скорость передачи данных составляет 13Мбит/с; кроме того, NSSP контроллер может использоваться и как в режиме "ведущего", так и в режиме "ведомого";
• контроллер интерфейса USB (USB клиент) соответствует спецификации USB rev.1.1 и позволяет подключить процессор к персональному компьютеру или к любому другому USB хосту;
• контроллер MMC обеспечивает стандартный последовательный интерфейс для подключения внешних карт памяти: MultiMediaCard и Secure Digital. Всего поддерживается до двух карт памяти одновременно в режимах MMC и SPI со скоростью передачи данных до 20Мбайт/с; в контроллере предусмотрены встроенные буферы для передачи и приема данных, а также поддерживается режимы прямого доступа к памяти.

Как видно, процессор PXA255 имеет огромный набор интегрированной периферии. Можно даже сказать - необходимый и достаточный комплект для создания высокотехнологичного портативного устройства. А уж в сочетании с высокой тактовой частотой работы и типичным энергопотреблением около 500 мВт (1,4 Вт максимум) ему, казалось бы, вообще не может быть равных.

Все же не будем делать поспешных выводов. Давайте теперь рассмотрим, какие нововведения появились в семействе РХА26х. Может и вовсе нет смысла переплачивать деньги за эти новинки, ведь у нас уже есть практически идеал - PXA255? Рассудим логически, процессоры РХА26х построены на базе PXA255, тактовые частоты - те же, размеры кэш памяти - те же, периферия и та практически не отличается… Однако, любую, даже самую идеальную вещь можно улучшить и здесь разработчики Intel пошли единственно верным путем сделав упор на повышение уровня системной интеграции.

Семейство PXA26x

Первое, что бросается в глаза при изучении характеристик процессоров нового семейства, это примененная фирмой Intel технология Multiple-Chip Product позволяющая разместить в одном корпусе помимо кристалла микропроцессора еще и кристаллы памяти. Благодаря такому решению новое семейство РХА26х (кроме РХА260) обзавелось интегрированной синхронной флэш-памятью StrataFlash® объемом до 32Мбайт (см. табл.1). Это несомненно качественное улучшение архитектуры процессора, в первую очередь позволяющее уменьшить габариты разрабатываемого устройства и упростить дизайн печатной платы за счет возможности отказаться от использования внешней памяти.

Табл. 1. Объем флэш-памяти StrataFlash® и максимальная тактовая частота ядра процессоров семейства PXA26х

Вторым по значительности отличием РХА26х является то, что, несмотря на встроенную память и увеличение числа контактов микросхемы до 294, корпуса процессоров стали еще меньше. Так, у процессоров семейства PXA26х корпус имеет размеры 13x13x1.4 мм против 17x17x1.8 мм у PXA255, то есть, процессор стал занимать на 40% меньше места - явный плюс.

Из остальных нововведений так же можно отметить новый последовательный синхронный канал для передачи цифрового звука (ASSP) во внешние кодеки (схемотехнически мультиплексирован с I2S и AC97) и увеличение числа линий ввода-вывода общего назначения (General Purpose I/O).

Остается добавить, что все процессоры семейства PXA26х поставляются в корпусах TF-BGA. Типичное энергопотребление процессора находится в районе 411 мВт (что меньше чем у PXA255 - 500мВт), а максимальное потребление может составлять до 2,27Вт.

Средства разработки программного обеспечения

Фирменное программное обеспечение PXA26х предлагает богатые возможности для изучения всех возможностей процессоров и быстрого написания ПО. Основная часть предлагаемых программных продуктов разработана в помощь программисту, использующему в для написания программ "development platform", то есть "базовую платформу разработки ПО" от Intel. Для процессоров серии PXA26х предлагаются две платформы разработки софта: DBPXA262 (процессоры PXA261 и PXA262) и DBPXA263 (процессоры PXA260 и PXA263).

Вся прелесть и удобство применения development platform, структурная схема которой приведена на рис. 2, заключается в том, что на ней уже установлены все необходимые разъемы и контроллеры сопряжения с внешними устройствами. Сюда, например, входят: слоты PCMCIA, Compact Flash, USB, PS/2. На базовой платформе встроенной памяти микроконтроллера можно воспользоваться двумя банками флэш-памяти по 32 Мбайта и 64 Мбайтами памяти SDRAM. Мультимедийные возможности платы включают установленные контроллеры сенсорных экранов, аудио-кодеки с микрофонным и линейным входами и выходом на наушники. С полным перечнем всех функциональных возможностей платформы можно ознакомиться в технической документации.

Рис. 2. Development platform

В то же время, предлагаемое Intel программное обеспечение включает, например:

• софт для поддержки операционных систем Microsoft WindowsCE .NET, PocketPC 2002, Smartphone 2002, Symbian OS, PalmOS и Linux;
• "Diagnostic Manager" - программное обеспечение для диагностики development platform;
• "Flash Memory Programmer (JFlash)" - утилита для загрузки программного обеспечения во флэш-память development platform;
• компиляторы С++;
• библиотеки примитивов: Integrated Performance Primitives и Intel® Graphics Performance Primitives и многое другое.

Выводы

В заключении статьи хочется ответить на вопросы которые были заданы в начале. В общем случае ответ можно сформулировать как "принцип четырех "Да".

"Да" - первое. Процессоры PXA26х - это действительно качественно новый уровень развития мобильных процессоров. Примененная Intel технология Multiple-Chip Product выводит данное семейство процессоров на совершенно новый уровень системной интеграции, позволяющий еще уменьшить габариты портативного устройства.

"Да" - второе. Применение семейства PXA26х в новых разработках действительно приносит реальную выгоду и, причем сразу по двум направлениям - наличие интегрированной флэш-памяти StrataFlash (объемом до 32 Мб) позволяет отказаться от внешних микросхем памяти, тем самым, упростив дизайн печатной платы и разработку программного обеспечения.

"Да" - третье. Фирме Intel действительно удалось сделать новый шаг вперед - в очередной раз уменьшить габариты процессора при одновременном увеличении функциональных возможностей и уменьшении энергопотребления.

"Да" - четвертое. Предлагаемое Intel средство отладки программного обеспечения процессоров development platform обладает широчайшими возможностями по изучению возможностей семейства PXA26х. Применение development platform позволит в кратчайшие сроки разработать полный комплект ПО и значительно ускорит выход нового устройства на рынок.

Заключение

Особенности национального применения

У любого читателя этой статьи совершенно резонно может возникнуть вопрос, какие области применения для PXA26х можно найти в нашей стране, ведь пытаться разрабатывать те же карманные компьютеры и тягаться с западной индустрией будет весьма неблагодарным занятием? Ответ на этот вопрос прост. Самое первое и очевидное применение новинок, вытекает из наличия USB интерфейса. Это означает, что абсолютно все устройства созданные на базе семейства PXA26х могут быть легко подключены к персональному компьютеру, брать от него питание (USB интерфейс ПК может обеспечить питание внешнего устройства с током до 500 мА при 5 В) и выступать, например, в качестве удаленного контроллера или терминала с жидкокристаллическим дисплеем с передачей данных в ПК в реальном масштабе времени.

Вполне возможно применение данных процессоров в качестве устройств сбора и обработки данных, причем источником данных могут выступать как внешние цифровые датчики, объединенные в общую с процессором сеть (например, с помощью NSSP), так и привычные АЦП и ЦАП с последовательным и или параллельным доступом. В этом качестве процессоры PXA26х выступят так же прекрасной базой для разработки систем безопасности или ограничения доступа.

Вот еще вариант. На базе PXA26х легко может быть разработана, например, автономная система контроля и управления сушильной печкой, температура в которой контролируется десятком термодатчиков, а поддерживается тэнами. Высокая производительность ядра XScale позволит процессору эффективно рассчитывать тепловые поля и поддерживать идеальную равномерную температуру в печи. Устройство можно снабдить ж/к дисплеем, отображающим температуру, время сушки (и т.п.), для загрузки новых программ можно использоваться карты расширения памяти, например, Compact Flash. На этих же картах можно хранить всю промежуточную статистику, благо объемы позволяют (в настоящее время выпускаются карты Compact Flash объемом в несколько гигабайт) и сбрасывать затем данные в компьютер для дальнейшей обработки.

Таким образом, применение процессоров нового семейства позволяет вывести разрабатываемую на его базе аппаратуру на качественно новый уровень с высочайшими потребительскими качествами, начиная от наличия цветного графического дисплея и дружественной операционной системы, до управления аппаратурой посредством голосовых команд.

Маленькие хитрости

В заключительном подразделе "маленькие хитрости" мне хотелось бы осветить несколько интересных моментов, мимо которых невозможно пройти, если внимательно изучить документацию на новые процессоры.

1. Какая первая очевидная характеристика процессоров PXA26х и PXA255 бросается в глаза и, казалось бы, ограничивает их применение? Конечно - это сравнительно небольшой (особенно по минусу) рабочий диапазон температур от -25 до +85 C. Однако если разобраться, то это ограничение вовсе и не недостаток процессоров. Ведь область их применения - устройства, имеющие жидкокристаллические дисплеи, которые по своей физической сущности практически не работают на минусовой температуре. Самое интересное, что если исходить из этого факта, то ограничение на "минус" можно легко снять схемотехнически. Представим, что перед разработчиком стоит задача создания устройства с LCD дисплеем работающего при температуре ниже -25 С. Очевидно, что для нормальной работы LCD придется реализовывать схему "подогрева" индикатора. Теперь, все что остается сделать, это расположить процессор как можно ближе к нагреваемому LCD. В результате, в случае работы на минусовой температуре, разогрев процессора и дисплея будет происходить со сравнительно идентичными скоростями, при этом сам микропроцессор нагреется до рабочего режима (-25 С) и может быть включен намного раньше LCD.
2. Забавно, но заявленные и рекламируемые Intel рабочие тактовые частоты ядер процессоров PXA26х и PXA255 на самом деле не совсем являются таковыми - 200, 300, 400 МГц. Это их округленные значения. На деле же, реальные предельные значения этих частот составляют: 199.1, 298.7 и 398.2 МГц. Круглые значения частот - очередная маленькая и совершенно невинная хитрость маркетологов Intel, ведь даже самую большую разницу частот - 400 и 398.2 МГц при работе заметить совершенно невозможно.

Александр Скуснов

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы