КПК изнутри
Евгений Рудометов
www.rudometov.com
Широкие функциональные возможности карманных персональных компьютеров определяются не только комплектом, но и внутренней архитектурой и применяемыми электронными компонентами
Современные КПК постепенно стали мультимедийными устройствами, обладающими немалыми функциональными возможностями. Данные устройства в ряде случаев способны заменить своих более сложных и крупных собратьев. Однако, несмотря на функциональную насыщенность этих устройств, есть одно обстоятельство, не всегда устраивающее потенциальных пользователей.
Конечно, в первую очередь речь идет о цене. Действительно, при внешнем виде, напоминающем обычные недорогие калькуляторы, многие модели КПК во многих случаях не уступают по цене настольным компьютерам и ноутбукам.
Можно очень долго рассказывать о возможностях моделей, обосновывая уровень цен, но иногда полезно просто показать внутреннее устройство. Это позволяет убедиться в высокой насыщенности КПК различными электронными компонентами. Количество же этих компонентов, как и сложность основных микросхем, может составить достойную конкуренцию соответствующим наборам традиционных систем.
Издержки маркетинга
Оценивая возможности карманных персональных компьютеров, значительная часть потенциальных пользователей нередко высказывают сомнения в обоснованности цен, по которым предлагаются данные устройства многочисленными фирмами-производителями.
Действительно, по габаритам и дизайну многие (если не все) варианты КПК напоминают калькуляторы. Цена же ряда моделей этих сверхкомпактных компьютеров в ряде случаев соответствует простейшим ноутбукам — изделиям более известным широкой публике, а соответственно и популярными на потребительском рынке.
Кроме того, анализируя перспективность тех или иных моделей КПК, будущим пользователям приходится также учитывать рост функциональных возможностей мобильных телефонов. Эти быстроразвивающиеся изделия с помощью встроенных аппаратно-программных средств уже способны выполнять во многих случаях весьма непростую работу по обработке аудио и видео данных. Более того, полученные результаты могут быть переданы по высокочастотным радиоканалам стандартных сотовых сетей (после обработки или даже в режиме реального времени) при сохранении, конечно, традиционных функций голосовой связи.
Определенную сумятицу в среду потенциальных пользователей мобильных компьютеров вносят и маркетинговые службы фирм, производящих процессоры для КПК. Испытывая справедливую гордость за совершенство дизайна и функциональные возможности процессоров, руководители и сотрудники этих фирм часто выступают с соответствующими презентациями. В ходе этих презентаций они рассказывают о возможностях своих изделий и достигнутых результатах по совершенствованию полупроводниковых технологий и внутренней структуры элементов. В своих многочисленных выступлениях они нередко подчеркивают наличие встроенных в состав высокопроизводительных процессоров, созданных для рынка КПК, большого числа специализированных контроллеров, а в более совершенных разработках еще и элементов памяти сравнительно большого информационного объема.
Как следствие данного маркетингового прессинга, у многих потенциальных пользователей КПК возникает ряд иллюзий. Среди этих иллюзий, пожалуй, наибольшее распространение нашло то, что практически все возможности данных компьютеров определяются исключительно используемыми процессорами. Эти процессоры, как уже известно многим потенциальным пользователям компьютерных изделий, объединили в себе наборы сложнейших цепей, способных выполнять большое количество мультимедийных функций.
В результате, многие считают, что конструирование КПК сводится в основном к обеспечению корректного ввода/вывода сигналов используемого процессора. Логичным результатом является ошибочное представление о внутреннем устройстве как об очень простой системе, состоящей из дисплея, нескольких переключателей и внешних разъемов, ну, еще, может быть, нескольких дополнительных элементов, например, динамика, микрофона, антенны Wi-Fi. Что же касается высокой разницы между стоимостью конечного изделия и ценой процессора, достигающей нескольких сотен долларов (а это означает повышение цены в несколько десятков раз), то данная несправедливость лежит исключительно на совести компьютерных фирм, производящих и реализующих подобные компактные компьютеры.
Отдавая должное творческих успехам разработчиков процессоров для КПК, необходимо подчеркнуть ошибочность подобных мнений. Доказательством же этому послужит анализ элементов и структуры одной из моделей КПК, приведенный ниже.
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.
Рис. 1. Структура ядра IntelXScale
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,
·
· 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.
Рис. 2. Структура КПК с несколькими подсистемами беспроводной связи
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 FujitsuSiemens целесообразно привести его основные технические параметры. Эти параметры приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры КПК Pocket LOOX 420 фирмы Fujitsu Siemens
Элементы и характеристики |
Параметры |
Процессор |
Intel PXA255 архитектуры XScale с тактовой частотой 400 МГц |
Память |
32 Мбайт ROM / 64 Мбайт RAM |
Экран |
Жидкокристаллический сенсорный экран, разрешение 240x320, 64 К цветов |
Аудио |
Встроенные микрофон и динамик, разъем для наушников. |
Аккумулятор |
1100 мАh Li-Ion (основная) + NiMH (резервная) |
Внешние разъемы и интерфейсы |
IrDa, USB, разъем питания, Bluetooth, Wi-Fi (IEEE802.11b) |
Наращивание возможностей |
Разъем для карт SD/MMCard, возможно подключение дополнительных модулей через этот разъем (SDIO) |
Вес |
125 грамм |
Габариты |
113,1 x 70,6 x 14,1 мм |
Операционная система |
Microsoft Pocket PC 2003 (Версия 4.20.0) |
Программное обеспечение |
Pocket Outlook, Pocket Word, Pocket Excel, Калькулятор, MSN Messenger, Windows Media Player, Transcriber, Pocket Internet Explorer, Microsoft Reader 2.2.3, voice recorder, Microsoft Active Sync 3.7.1 и др. |
Дополнительное программное обеспечение |
Программа русификации, словари и др. от фирмы PARAGON, прикладные программы сторонних производителей. |
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 компьютера FujitsuSiemens Pocket LOOX 420.
На Рис. 3 представлен КПК без задней крышки корпуса и без аккумулятора. Отсутствие крышки позволяет увидеть элементы внутреннего устройства.
Рис. 3. КПК Fujitsu Siemens Pocket LOOX 420 со снятой нижней крышкой
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-памяти SD/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.
Рис. 4. Плата с основными электронными компонентами
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.
Рис. 5. Обратная сторона платы с расположенными на ней электронными компонентами
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, что PocketLOOX 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.
Клоны КПК
В условия развития современного рынка не является новостью упоминание о компаниях, которые производят изделия под чужими брендами. Здесь сразу следует отметить, что речь не идет о пиратстве. Просто мощные производители предлагают свой производственный, а нередко и исследовательский потенциал другим компаниям. Компании, на которые ориентированы такие услуги (OEM), выбирают, заказывают, оплачивают и реализуют созданные для них изделия. В дальнейшем они осуществляют техническую поддержку, гарантийное обслуживание, ремонт, а нередко и последующую утилизацию выпущенной продукции.
Примеров такой не редко международной интеграции можно найти очень много. И карманные персональные компьютеры здесь не являются каким-то исключением. Многочисленные модели КПК, созданные крупными компаниями, несут на себе отпечатки мощных исследовательских и производственных коллективов. Это позволяет с доверием относится к подобным устройствам. Большой же тираж выпущенных для КПК платформ позволяет не только отладить конечные изделия, но и существенно снизить их себестоимость. А это в свою очередь позволяет снизить уровень цен устройств на прилавках многочисленных магазинов.
Правда, OEM производство порождает существование большого количества клонов, отличающихся в основном внешним дизайном и фирменным системным и прикладным программным обеспечением.
Так, например, у КПК Fujitsu Siemens Pocket LOOX 420 имеется «брат-близнец» - КПК HP iPAQ h4150.
Модель iPAQ h4150 выпускалась для HP известной компанией HTC, являющейся OEM производителем для многих фирм. Эта же компания сделала модель и для Fujitsu Siemens. И пусть никого не вводят в заблуждение различия во внешнем дизайне. Платформы, лежащие в основе данных моделей, практически идентичны. В этом можно легко убедиться, рассматривая приведенную ниже иллюстрацию (Рис. 6).
Кстати, следствием идентичности моделей является взаимозаменяемость аккумуляторов у HP iPAQ h4150 и Fujitsu Siemens Pocket LOOX 420.
В качестве еще одного объекта можно привести КПК Fujitsu Siemens Pocket LOOX N520. Внешнее сходство с ранее выпущенными прототипами, платы которых представлены на Рис. 6, явно указывает на одного OEM производителя. Этим OEM производителем всех приведенных моделей КПК стала компания все та же HTC.
Рис. 6. КПК iPAQ h4150, Pocket LOOX 420, Pocket LOOX N520 и их материнские платы
Итак, HTC создала указанные и многие другие изделия, что же остается компаниям-заказчикам? На их долю, как и отмечалось выше, выпадают сложные и хлопотные проблемы. Это, в первую очередь, выбор параметров и дизайна будущей модели. А еще есть проблемы маркетинга и рекламы. Кроме того, на плечи компаний ложится задача реализации с получением приемлемой прибыли, а также вопросы технической поддержки, гарантийного обслуживания, ремонта и многое другое. И все это необходимо осуществлять в условиях довольно сильного насыщения рынка, конкурируя с другими компаниями. Конечно, это совсем не просто, да и не дешево.
Заключение
Конечно, при рассмотрении конструктивных особенностей мобильного компьютера перечисленными компьютерными элементами не исчерпывается весь используемый в устройстве набор. Однако приведенные представители составляют основу архитектуры. Другие же электронные элементы, к которым относятся сотни резисторов, конденсаторов, а также микросхем сравнительно невысокой степени интеграции, реализующих преобразователи питания, шинные формирователи, различные электронные согласователи, усилители и т. п., не попали в представленное описание. Связано это с тем, что они играют вспомогательную, хотя и необходимую роль для функционирования указанной компактной мобильной компьютерной системы.
Оценивая же внутреннее устройство КПК, необходимо признать, что подобные воплощения компьютерных технологий по количеству используемых элементов и сложности своей архитектуры во многом не уступают своим более крупным аналогам. Как и настольные системы, а также и ноутбуки, КПК состоят из большого количества элементов, что, вообще говоря, и объясняет их сравнительно немалую цену и большой функциональный потенциал при скромных объеме и весе. И будет жаль. Если этот класс компьютеров постепенно исчезнет под давлением конкурирующих с ними изделий.
Автор благодарит фирму CPS - Технический Центр (www.cpstc.ru) за оказанную помощь в разборке и последующей сборке КПК