CC BY
40Компоненты и технологии, № 9'2003
Intel
PXA26x -
поколение «NEXT»
Весной 2003 года 1пГв! объявила о выпуске нового семейства процессоров 1пГв! РХА26х с архитектурой ХБса!е, ориентированных на компактные высокопроизводительные мобильные устройства с низким энергопотреблением.
Семейство представлено четырьмя новыми моделями: !пГе! РХА260, РХА261, РХА262 и РХА263, которые позиционируются как замена своих прошлогодних предшественников, процессоров РХА250 и РХА210.
На самом ли деле новинки представляют качественно новый уровень функциональности и сервиса? Действительно ли стоит применять в новых разработках именно новое семейство? И главное, есть ли вообще и в чем состоит реальный выигрыш от применения РХА26х?
Александр Скуснов
support@cec-mc.ru
Для начала немного истории. Выпуск семейства РХА26х закономерен, ведь основная область их применения — один из самых быст-роразвивающихся 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 ситуации выходят разработчики ІШ:еІ, рассмотрим и проанализируем основные характеристики РХА26х. Однако обзор будет неполным, если мы не затронем предварительно один весьма щекотливый момент.
Работа над ошибками
Самым примечательным в выпуске семейства РХА26х является тот факт, что в то же самое время Меі выпустила еще один новый процессор — ІПеІ РХА255, который стал заменой процессора РХА250. На такой шаг Меі, видимо, вынудила неудовлетворительная производительность последнего, несмотря на высокую тактовую частоту работы ядра 400 МГц. Как оказалось, устройства, созданные на базе РХА250 и запущенные на 400 МГц, имеют практически такую же производительность, что и 206-мега-герцовый процессор Зіго^АКМ, то есть двойная разница частот, а соответственно, и более высокая цена не дают никакого эффекта! К сожалению, представители Ме1 не комментируют данную особенность РХА250 и стараются ее не афишировать. Они пореко-
мендовали всем разработчикам заменить PXA250 на модель PXA255. Благодаря тому, что оба процессора идут в абсолютно идентичных корпусах PBGA (17x17 мм, 256 выводов), совместимы повыводно и практически не имеют отличий в микроархитектуре (за исключением регистра идентификатора процессора ID), PXA250 легко заменяется на PXA255.
Главным отличительным признаком PXA255 является удвоенная частота внутренней системной шины (System Bus) процессора — 200 МГц. System Bus связывает ядро XScale, работающее на частотах 200, 300 и 400 МГц, с интегрированной периферией и контроллерами памяти (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.
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.
Архитектура PXA255 приведена на рис. 1. 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.
Компоненты и технологии, № 9'2003
Часы реального времени
Блок таймеров
Ш и ротн о-импульсные модуляторы (ШИМ)
Контроллер
прерываний
Контроллер управления энергопотреблением и синхронизацией
Шина l2S
Шина 12С
Кодек АС97
UART
Порт NSSP
Медленный
ИК-порт
Быстрый
ИК-порт
Интерфейс
SSP
USB-клиент
Контроллер карт памяти ММС
Ядро с архитектурой XScale
3,6864
МГц
32,768
кГц
Контроллер
памяти
Контроллер формирования временных задержек при обращении к внешним устройствам
Контроллер карт памяти PCMCIA/ Compact Flash
Контроллер
динамической
памяти
Контроллер
статической
памяти
Рис. 1. Архитектура PXA255
Память SDRAM, SMROM [4 банка)
Память ROM/Flash/ SRAM [4 банка)
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 2,5 и 3,3 В.
ЖКИ-контроллер, поддерживающий одно-и двухпанельные жидкокристаллические дисплеи с активной и пассивной матрицей (рекомендуемое разрешение — 640x480, максимальное — 1024x768; поддерживается до 16 разрядов цвета в цветном режиме и до 256 оттенков серого в черно-белом). Интегрированные контроллеры памяти: -контроллер 16/3 2-разрядной памяти SDRAM, SMROM (4 банка);
-контроллер 16/32-разрядной памяти ROM/Flash/SRAM (4 банка);
-контроллер PCMCIA/Compact Flash с частотой шины 100 МГц.
Контроллер прямого доступа к памяти (DMA), поддерживающий прямую пересылку данных между основной памятью и внутренними и внешними устройствами по 16 каналам с двумя уровнями приоритетов.
Системный управляющий модуль, включающий 17 отдельных линий ввода-вывода, каждая из которых может использоваться как вход прерывания.
Часы реального времени (RTC). Сторожевой таймер или обычный таймер (OS Timer).
2 независимых широтно-импульсных модулятора.
Контроллер прерываний.
Контроллер управления пониженным энергопотреблением и синхронизацией.
• Контроллер I2S (Inter-IC Sound) для передачи цифрового стереозвука по последовательному каналу в стандартный внешний PS-кодек (поддерживаются форматы Normal-I2S and MSB-Justified I2S).
• Контроллер синхронной двухпроводной последовательной шины I2C (InterIntegrated Circuit) поддерживает режимы быстрой передачи данных — 400 кбит/с и стандартной — 100 кбит/с.
• Контроллер AC97 с поддержкой кодеков AC'97 rev. 2.0 и частотой дискретизации до 48 кГц (контроллер обеспечивает независимые 16 разрядные цифровые каналы для стереовхода, стереовыхода, модемного входа-выхода и входа микрофона, для воспроизведения звука требуются внешние ЦАП). Примечание. Контроллер AC97 и контроллер PS 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 байт 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 (SlowIrDA) со скоростью передачи данных до 115,2 кбод.
• Высокоскоростной полудуплексный ИК-порт со скоростью передачи данных до 4 Мбод, обеспечивающий прямое подключение к внешнему ИК-передатчику.
• Полнодуплексный последовательный син-
хронный 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 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 13 Мбит/с; кроме того, NSSP-контроллер может использоваться как в режиме «ведущего», так и в режиме «ведомого».
• Контроллер интерфейса USB (USB-клиент) соответствует спецификации USB 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 20 Мбайт/с; в контроллере предусмотрены встроенные буферы для передачи и приема данных, а также поддерживаются режимы прямого доступа к памяти.
Процессор PXA255 имеет огромный набор интегрированной периферии. Можно даже сказать — необходимый и достаточный комплект для создания высокотехнологичного портативного устройства. А 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.
Теперь рассмотрим, какие нововведения появились в семействе РХА26х. Может, и вовсе нет смысла переплачивать деньги за эти новинки, ведь уже есть практически идеальный PXA255? Рассуждая логически, процессоры РХА26х построены на базе PXA255, тактовые частоты и размеры кэш-памяти — те же, периферия и та практически не отличается... Однако разработчики Intel пошли единственно верным путем, сделав упор на повышение уровня системной интеграции.
Компоненты и технологии, № 9'2003
Семейство PXA26x
Фирма Intel использовала в новом семействе процессоров технологию Multiple-Chip Product, позволяющую 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 32 Мбайт (табл.). Это, несомненно, качественное улучшение архитектуры процессора, позволяющее уменьшить габариты разрабатываемого устройства и упростить дизайн печатной платы за счет возможности отказаться от использования внешней памяти. Таблица. Объем флэш-памяти StrataFlash и максимальная тактовая частота ядра процессоров семейства PXA26х
Процессор РХА260 РХА261 РХА262 РХА263
Объем StrataFlash отсут- ствует 128 Мбит (128 Мх16) 256 Мбит (256 Мх16) 256 Мбит (256 Мх32)
Максимальная частота ядра 400 МГц 400 МГц 300 МГц 400 МГц
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 PXA26x размеры корпуса 13x13x1,4 мм против 17x17x1,8 мм у PXA255, то есть процессор стал занимать на 40% меньше места — явный плюс.
Из остальных нововведений 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.
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 — 500 мВт), а максимальное потребление может составлять до 2,27 Вт.
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 помощь программисту, использующему 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).
Удобство применения development platform (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 кроме встроенной памяти микроконтроллера можно воспользоваться двумя банками
ИК-
порт
Последова-
тельный
порт
Спот карт памяти MMC/SD
—--------------ТУ
Bluetooth-
модуль
Сенсорный
дисплей
Дисплей
Sharp
LM8V31
X-
Ж
Интерфейс SPI
lit _____________ jU;
Выход ^^
12С \J
Буфер K¡=¡ =á
Плата процессора
Процессор Flash память
Intel РХА26х Память SDRAM
USB-порт
(клиент)
Выход
ШИМ
ТУ
Клавиатура
Мышь
USB-
порт
(хост)
о
ЕЛ
Процессор
Intel
StrongARM
SA-1111
Л-1
OI
Приемо-
передатчик
П риємо-т/\ передатчик
Compact
Flash
PCMCIA
Мульти-
плексор
Л /у
Аудио Ю
Crystal
CS4201
Сенсорный
дисплей
Аудио
V
Philips
UCBUOO
>х о. 1 g
о. >
t V к о « Т X
LÛ : о 2
^ о
Регистры
Рис. 2. Структурная схема development platform
флэш-памяти по 32 Мбайт и 64 Мбайт памяти SDRAM. Мультимедийные возможности платы включают установленные контроллеры сенсорных экранов, аудиокодеки с микрофонным и линейным входами и выходом на наушники. С полным перечнем всех функциональных возможностей платформы можно ознакомиться в технической документации.
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 C++;
• библиотеки примитивов: Integrated
Performance Primitives и Intel Graphics Performance Primitives и многое другое.
Выводы
В заключение хочется ответить на вопросы, которые были заданы в начале статьи. В общем случае ответ можно сформулировать как «принцип четырех «Да».
1. Процессоры PXA26х — действительно качественно новый уровень развития мобильных процессоров. Примененная Intel технология Multiple-Chip Product выводит данное семей-
ство процессоров на новый уровень системной интеграции, позволяющий еще уменьшить габариты портативного устройства.
2. Применение семейства PXA26х в новых разработках приносит реальную выгоду, причем сразу по двум направлениям: наличие интегрированной флэш-памяти StrataFlash (объемом до 32 Мбайт) позволяет отказаться от внешних микросхем памяти, тем самым упростив дизайн печатной платы и разработку программного обеспечения.
3. Фирме Intel удалось сделать шаг вперед — в очередной раз уменьшить габариты процессора при одновременном увеличении функциональных возможностей и уменьшении энергопотребления.
4. Предлагаемое Intel средство отладки программного обеспечения процессоров development platform обладает широчайшими возможностями по изучению возможностей семейства PXA26x Применение development platform позволит в кратчайшие сроки разработать полный комплект ПО и значительно ускорит выход нового устройства на рынок.
Особенности национального применения
У читателя этой статьи может возникнуть резонный вопрос: какие области применения для PXA26х можно найти в нашей стране? Пытаться разрабатывать те же карманные компьютеры и тягаться с западной индустри-
Компоненты и технологии, № 9'2003
ей — весьма неблагодарное занятие. Ответ на этот вопрос прост. Самое очевидное применение новинок вытекает из наличия ШБ-интерфейса. Это означает, что абсолютно все устройства, созданные на базе семейства РХА26х, могут легко подключаться к персональному компьютеру; брать от него питание (ШБ-интерфейс ПК может обеспечить питание внешнего устройства с током до 500 мА при 5 В); 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 ЫББР), так и привычные АЦП и ЦАП с последовательным и параллельным доступом. В этом качестве процессоры РХА26х выступят так же прекрасной базой для разработки систем безопасности или ограничения доступа.
Также на базе РХА26х легко может быть разработана автономная система контроля и управления, например, сушильной печкой, температура в которой контролируется десятком термодатчиков, а поддерживается тэнами. Высокая производительность ядра Х8са1е позволит процессору эффективно рассчитывать тепловые поля и поддерживать идеальную равномерную температуру в печи. Устройство можно снабдить жидкокристаллическим дисплеем, отображающим температуру, время сушки и т. д. Для загрузки новых программ можно использовать карты расширения памяти, напри-
мер, Compact Flash. На этих же картах можно хранить всю промежуточную статистику, объемы это позволяют (в настоящее время выпускаются карты Compact Flash объемом в несколько гигабайт), и затем переписывать данные в компьютер для дальнейшей обработки.
Применение процессоров нового семейства позволяет вывести разрабатываемую на их базе аппаратуру на качественно новый уровень с высочайшими потребительскими качествами, начиная от цветного графического дисплея и дружественной операционной системы до управления аппаратурой посредством голосовых команд.
Маленькие хитрости
Есть несколько интересных моментов, мимо которых невозможно пройти, если внимательно изучить документацию на новые процессоры.
1. Первая очевидная характеристика процессоров PXA26х и PXA255, которая, казалось бы, ограничивает их применение — это сравнительно небольшой, особенно по минусу, диапазон рабочих температур от -25 до +85 °C. Однако если разобраться, то это ограничение вовсе и не недостаток процессоров. Ведь область их применения — устройства с жидкокристаллическими дисплеями, которые по своей физической сущности практически не работают при минусовой температуре. И если исходить из этого факта, то ограничение на «минус» можно легко снять схемотехнически.
Представим, что перед разработчиком стоит задача создания устройства с жидкокрис-
таллическим дисплеем, работающим при температуре ниже -25 °С. Для нормальной работы жидкокристаллического дисплея придется реализовывать схему его «подогрева». Однако вместо специальной схемы «подогрева» для этой цели может быть использовано тепло самого процессора. Остается расположить процессор как можно ближе к нагреваемому дисплею. В результате, в случае работы на минусовой температуре, разогрев процессора и дисплея будет происходить со сравнительно идентичными скоростями, при этом сам микропроцессор для разогрева до рабочего режима может быть включен намного раньше дисплея.
2. Заявленные и рекламируемые Ш:е1 рабочие тактовые частоты ядер процессоров РХА26х и РХА255: 200, 300, 400 МГц — это округленные значения. Реальные предельные значения этих частот составляют: 199,1, 298,7 и 398,2 МГц. Круглые значения частот — очередная маленькая хитрость маркетологов 1Пе1, ведь даже самую большую разницу частот, 400 и 398,2 МГц, при работе заметить совершенно невозможно. Насыщенные встроенной периферией буквально до предела процессоры РХА26х достаточно сложны в применении. Определенную помощь разработчикам могут оказать специалисты фирмы Консультацтонно-Технический Центр по Микроконтроллерам (КТЦ-МК) и ряда других фирм, обеспечивающих консультирование разработчиков.
Дополнительную информацию об этих микропроцессорах и специфике их применения можно найти на сайте фирмы 1П:е1: www.intel.com.
