Карманные ПК: введение в тему

Вопросы, связанные с карманными компьютерами, смартфонами и коммуникаторами, сегодня становятся актуальными, особенно в связи с активным развитием этого сегмента рынка и стремительным ростом популярности разнообразных сверхпортативных устройств. До сих пор мы их не затрагивали, поэтому в обзоре сочли возможным привести не только техническую информацию, но и сделать ряд отступлений, которые, с нашей точки зрения, необходимы, чтобы не только констатировать особенности сложившейся на данный момент в этом секторе ситуации, но и лучше понять тенденции его развития.

Изучив ситуацию на рынке, мы решили ограничиться периодом в полгода, поскольку существенных изменений за последние три года практически на нем не произошло. Все это время усиливались процессы унификации аппаратных платформ, которые постепенно вытесняли и к настоящему моменту полностью вытеснили платформы, которые мы не будем рассматривать в обзоре. В частности, это касается платформ на 68k-совместимых ЦП семейства Motorola DragonBall. Также не будем говорить о единственной компании, до последнего времени использовавшей достаточно оригинальные разработки (Sony), в связи с ее уходом с рынка КПК и прекращения производства моделей на базе Palm OS, где использовалась основанная на ARM платформа собственной разработки (CXD2230GA, Sony Handheld Engine, на базе ядра ARM926, 8-123 МГц, 1,7-270 мВт), и переориентацией стратегии развития мобильных устройств на смартфоны (выпускаемые подразделением Sony Ericsson).

КПК: диспозиция

Отечественный рынок КПК, смартфонов и коммуникаторов сегодня представлен 21 изготовителем, которые предлагают устройства на четырех основных платформах: Windows Mobile, Palm OS, Symbian и Linux. В России не действует распространенный в США и Европе сервис компании RIM, Blackberry, соответственно и сами терминалы не продаются, хотя на долю Blackberry в мире приходится 15-17% рынка.

Всего можно насчитать около девяноста моделей (см. таблицу «КПК, коммуникаторы и смартфоны. Справочные данные»), которые реально продавались в течение последних шести месяцев. За I квартал 2005 г. было продано около 85 тыс. КПК и смартфонов (данные компании ITResearch); показатели II квартала, по оценкам аналитиков, составят 100—130 тыс. Безусловно, следует отметить, что это связано прежде всего с ростом популярности смартфонов преимущественно на платформе Symbian, сектор традиционных КПК менее динамичен.

В течение первого полугодия 2005 г. было выпущено примерно полтора десятка новых моделей, ориентированных на все сегменты данного рынка. Это позволяет говорить о положительной тенденции развития, тем более что при сравнении с первой половиной 2004 г. новинок примерно в два раза больше. Если говорить о традиционных КПК, то следует отметить, что сегодня обе основные платформы развиваются достаточно активно.

За рассматриваемый нами период новых моделей на базе Palm OS было выпущено несколько больше, даже несмотря на то что «сектор Palm OS» для России фактически сводится к деятельности самой компании palm-One, поскольку прочие участники «экосистемы Palm» в нашей стране не работают. В мире же достаточно активны Куосега и ряд изготовителей из Юго-Восточной Азии, таких, как Group Sense PDA, QoolLabs и даже Samsung. При этом palmOne, избегавшая после выпуска ARM-версии Palm OS существенных технологических переделок платформы, осознала, что такая политика ведет к потере конкурентоспособности, и «взялась за ум». Из трех моделей, выпущенных, а не анонсированных, только одна относится к традиционным КПК (Tungsten E2), тогда как вторая — коммуникатор (Тгео 650), а третья — вообще представитель новой для palmOne категории «мобильный менеджер» (КПК, оснащенный емким 1-дюйм дисковым накопителем Hitachi Microdrive емкостью 4 Гбайт). Кроме того, palmOne раскрыла планы по выпуску до конца года десяти новых изделий, но о них мы поговорим, когда они превратятся из анонсов в реальные аппараты.

Общая ситуация в сегменте Windows Mobile пока стабильна. По «валовому продукту» отчетливо лидирует HP, она же обладает и наиболее широким модельным  рядом  КПК (12  моделей,  рассчитанных  на  все ценовые сегменты рынка). В то же время с технологической точки зрения HP пока уступает конкурентам— даже в их модельном ряду 24хх/27хх нет ничего сверхнового. Наиболее мощная модель этой серии, iPAQ hx2270, хотя и имеет, например, биометрический датчик и мощный ЦП, на роль лидера претендовать не может в связи с особенностями позиционирования всего модельного ряда, формальным же флагманом семейства iPAQ остается модель 4700, которая была выпущена давно и уже начала морально устаревать. В связи с этим интерес клиентов (тенденции изменения доли рынка об этом свидетельствуют) начинает смещаться в сторону иных марок. Тем более что другие изготовители уже делают ставку не только на традиционно важные для приверженцев КПК с этой ОС «технологичность», мощность и дополнительные функции, но и имеют в запасе модели с какой-либо яркой, необычной технической особенностью. Это прежде всего такие устройства, как Dell Axim X50v со встроенным трехмерным акселератором (Intel 2700G, 16-Мбайт видеоОЗУ), ASUSTeK P505 с уникальным «пространственным джойстиком» и огромным по меркам этого сегмента временем автономной работы, Fujitsu Siemens Pocket LOOX 720, весьма удачно сочетающий присущие современному КПК высокого уровня возможности (в том числе цифровую камеру) при небольших размерах. В итоге по количеству продаваемых устройств HP хотя и сохраняет лидерство, но оно уже не столь значительно, как год назад. По оценкам ITResearch, ее рыночная доля в I квартале 2005 г. составляет около 35%, тогда как год назад была 45-50%. Свой вклад в этот процесс вносит и бурно развивающийся сегмент коммуникаторов на базе Windows Mobile, таких, как RoverPC S2 или I-Mate Jam. Среди наиболее интересных технологических тенденций следует отметить активизацию разработчиков КПК со встроенными адаптерами GPS. Реально доступны в России КПК AIRIS Xslim N509 (на платформе MiTAC 168) и Acer n35. Заметного вклада в расстановку сил на рынке они пока не вносят, но, учитывая рост популярности навигационных применений и развитые возможности современного навигационного ПО для карманных компьютеров, имеют неплохие перспективы.

Основной вклад в рост рынка персональных сверхпортативных устройств, как уже говорилось, вносит платформа Symbian, а конкретнее — компания Nokia. Главный фактор роста — значительное увеличение рынка мобильных телефонов, поскольку основная масса устройств этой платформы ведет свое происхождение именно от телефонов.

Причина бурного роста этого рынка прежде всего в том, что сегодня происходит планомерная «смартфони-зация» сегмента high-end-телефонов. К такому решению изготовителей подталкивает то обстоятельство, что они практически исчерпали возможности наращивания функциональности телефонов в рамках собственных закрытых платформ, потому и были вынуждены обратиться к наработкам создателей смартфонов. В авангарде этого процесса — компания Nokia, Sony Ericsson менее активно участвует в нем (во многом из-за внутренних проблем и реорганизации), совсем неактивна Siemens (и, судя по сделке с BenQ, совершенно напрасно).

Покупатели при этом нередко даже не догадываются о «смартфонной» природе своего нового модного телефона. И неудивительно, что после того, как заработал отлаженный механизм продажи сотовых телефонов, они сразу же заняли очень хорошие позиции как в мире, так и в России. Заняв примерно I % сотового рынка (основная масса продаж сотовых телефонов приходится на недорогие массовые модели, тогда как смарт фоны — устройства, преимущественно позиционируемые в ценовой нише «более 300 долл.»), смартфоны радикально изменили расстановку сил. Процесс «смарт-фонизации» далеко не закончен, но можно не сомневаться, что за год-полтора именно смартфоны станут основой продуктовых рядов в сегменте high-end всех успешных изготовителей.

КПК: что почем

Анализ структуры продаж КПК по ценовым сегментам позволяет выявить довольно интересные закономерности. Главная тенденция на сегодня — не рост бюджетного сегмента, как это свойственно большинству секторов рынка ИТ. Напротив, бюджетных моделей становится все меньше. На наш взгляд, это обусловлено не только особенностями сегодняшнего состояния рынка, но и тем, что данная ситуация носит системный характер. Часто встречающееся деление КПК и смартфонов на группы — «начального уровня», «мощные» и т. д. — предполагает ряд затруднений, а иногда просто неправомерно, особенно если речь идет о специализированных устройствах. Более целесообразно структурировать товарное предложение по ценовым группам. Такое деление достаточно четко соответствует и технологическим нишам, хотя исключения, безусловно, есть. В настоящее время на рынке существует четыре основные ценовые ниши — до 250 долл., 250-450 долл., 450-650 долл. и свыше 650 долл., причем в эти группы входят КПК на базе всех платформ, а также коммуникаторы и смартфоны.

В ценовой нише «до 250 долл.» сегодня сравнительно немного моделей, причем преимущественно на базе Palm OS, максимум приходится на ниши 250-450 и 450-650 долл. Но, по мнению изготовителей, несколько лет проработавших на этом рынке, оптимальная цена КПК примерно 300-350 долл. (зависит от платформы). Понятно, что покупателю лучше — дешевле, но при таком уровне цен рынок остается достаточно интересным изготовителю (хотя и не сверхприбыльным). При этом процессы «удешевления» сводятся к классическому понятию — «больше возможностей за те же деньги». Так, например, сегодня даже для бюджетных моделей в качестве стандартного интерфейса используется Bluetooth, а часто и Wi-Fi. Всего Bluetooth присутствует почти у 75% всех современных моделей, и около трети всей массы имеющихся на рынке «нала-донников» снабжаются средствами подключения к беспроводным сетям.

Технические характеристики

Формально технические характеристики наиболее мощных моделей карманных компьютеров (коммуникаторы и смартфоны фактически представляют собой именно КПК, отличаясь от «традиционных» лишь наличием сотового модуля соответствующего стандарта) позволяют с некоторыми натяжками сравнивать их с ноутбуками не такого уж далекого прошлого. В частности, тактовая частота процессоров, используемых в КПК, сегодня достигла 624 МГц, совокупная емкость флэш-памяти дошла до 128 Мбайт, установка 1-дюйм дисковых накопителей позволяет довести емкость «дисковой» подсистемы массовой памяти до 5 Гбайт (в будущем и того больше). Многие модели имеют два разъема для карт расширения (как правило, CompactFlash Туре II и SecureDigital, совместимый с SDIO). Разрешение экранов достигло 640х480 (тут следует заметить, что максимальный физический размер диагонали экрана КПК сегодня 4 дюйма, и ограничен он не столько возможностями технологии изготовления ЖК-дисплеев, сколько соображениями эргономики и удобства транспортировки сверхпортативного устройства).

Устройства ценой до 250 долл. в основном предназначены для начинающих пользователей, которым не слишком важны разнообразные функциональные возможности. Практически все КГ1К этого сегмента обладают скромными техническими характеристиками. За прошедшее полугодие тут появилась только одна новинка — palmOne Tungsten E2 (с Bluetooth); моделей на базе Windows Mobile после ухода с рынка Rover Computers и прекращения продаж Palmax z710 просто не осталось.

КПК ценой 250-450 долл. — это наибольший из четырех сегментов. В нем представлено множество моделей всех основных изготовителей. Такое разнообразие свидетельствует о высоком спросе на устройства данной категории, что объяснимо: за небольшую сумму сегодня можно приобрести устройство, позволяющее не только носить с собой всю необходимую информацию и работать с ней, но и слушать музыку и даже смотреть видеофильмы. Среди новинок этого сегмента встречаются как недорогие модели со скромными для данного класса характеристиками, так и мощные КПК, оснащенные процессорами с высокой тактовой частотой, а также беспроводными интерфейсами Wi-Fi и Bluetooth. Данный сегмент по базовым платформам можно разделить на три группы: Windows Mobile, Palm OS, a также устройства на других платформах. Причем моделей на Windows Mobile в структуре товарного предложения примерно в пять раз больше, чем на Palm OS, а прочие платформы составляют незначительную часть ассортимента. Стоит также отметить, что после снижения цены на некоторые смартфоны компании Nokia в нише «до 450 долл.» появились и представители платформы Symbian. Можно предположить, что число таких устройств в этом ценовом диапазоне будет расти в связи с постоянным снижением цен, хотя, скорее всего, это будут морально устаревшие, «немодные» модели. В нише 450-650 долл. представлены самые передовые устройства из модельных рядов компаний. Тут есть как обычные КПК, так и смартфоны и коммуникаторы. Основная отличительная особенность моделей этого сегмента — наличие у большинства беспроводных интерфейсов Wi-Fi и Bluetooth, высокопроизводительных процессоров, а также встроенной памяти большого объема. За прошедшие полгода данная группа подверглась наибольшему обновлению. Данный сегмент четко делится на две части — традиционные КПК и коммуникаторы. Продажи примерно поровну делятся между Windows Mobile и Symbian, фактически единственная модель на базе Palm OS в данном секторе — Тгео 650. Подробно останавливаться на описании технических характеристик новинок мы не будем, все они очень сходны, различаются лишь частотой процессора и объемом установленной памяти, а дополнительную информацию можно найти в таблицах.

Аппараты с крайне высокой ценой (свыше 650 долл.) в основном относятся к категории коммуникаторов и модных, дорогих смартфонов. Кроме того, в этой же нише располагаются клавиатурные КПК Nokia (серия 9300/9500) и Sharp (на базе Linux). Они ориентированы на профессиональных пользователей, которым необходимо самое мощное и сложное устройство и которые готовы за это платить дополнительно.

КПК изнутри

Элементная база КПК и мобильных устройств на сегодня довольно жестко стандартизована. Давно прошли времена, когда в этом сегменте рынка царило разнообразие видов.

История карманных компьютеров началась в середине 1980-х гг. прошлого века с выпуском модели Psion Organiser II, интерес массового рынка этот сегмент привлек несколько позднее, с выпуском модели Newton Message Pad. Фактически до середины 1990-х гг. в этом секторе царило значительное разнообразие схемотехнических решений. Это вполне естественно, учитывая специфику задач и технологические ограничения, существовавшие в то время. Требования предельной миниатюризации в сочетании с жесткими условиями по энергопотреблению вынуждали разработчиков создавать самые невероятные решения, а иногда и идти на непростые компромиссы, скажем, в целях максимального удешевления отказываться от такого, казалось бы, необходимого атрибута, как разъемы для карт памяти.

Разработчики первых КПК были вынуждены практически все создавать с нуля. Это относится не только к разводке плат, конструкции, иногда даже процессоры разрабатывались «под КПК».

Примерами оригинальных системных архитектур того времени могут стать несколько моделей, например Atari Portfolio (настоящий разработчик — DIP Systems, многие, наверное, помнят эту модель по фильму «Тер-минатор-1», где юный Джон Коннор «вскрывает» банкомат именно при помощи этого аппарата), компактный клон IBM PC (правда, не совсем с ним совместимый), построенный на базе МП 80С88 с тактовой частотой 4,9 МГц, оснащался 128-Кбайт ОЗУ и монохромным экраном с разрешением 240x64 пиксел (40x8 знакомест). Небезынтересен и один из исторически первых коммуникаторов AT&T EO Communicator 440/880, оригинальная система, построенная на базе ЦП AT&T Hobbit с тактовой частотой 20/30 МГц (этот ЦП применялся в первых прототипах Newton, кроме того, в его истории есть и другой интересный факт — на нем разрабатывалась операционная система BeOS). В этом процессоре использовалась система команд CRISP (C-machine Rational Instruction Set Processor), сочетавшая в себе производительность RISC-ЦП и компактность программ для CISC. Hobbit был реализован как набор микросхем АТТ92010 (ЦП и контроллер памяти), АТТ92011 (системный контроллер, который обеспечивал взаимодействие с подсистемами питания, контроллером прерываний, занимался выборкой и декодированием команд из памяти и работой с системной шиной), АТТ92012 (контроллер PCMCIA, позволял подключать до четырех плат PCMCIA), ATT92013 (контроллер периферийных устройств, который обеспечивал взаимодействие системной шины Hobbit и 8- или 16-разрядных устройств, подключаемых к шине, совместимой с ISA; до 8 устройств) и т. д. ЦП работал при напряжении 3,3-5 В, при 20 МГц производительность составляла 13,5 MIPS, потребляемая мощность 515 мВт. В целом Hobbit — это законченный комплект для создания сверхпортативных машин. AT&T разработала несколько более мощных моделей Hobbit — 92020S (более быстродействующую), 92020М (в ней только три микросхемы), 92020МХ/92021МХ (две микросхемы, которые обеспечивали функциональность первой модели и более высокую производительность), но на тот момент рынок уже захватил Newton. Еще одна показательная разработка, наглядно иллюстрирующая вынужденную «оригинальности» подхода разработчиков к созданию КПК — Amstrad PenPad 600 (1993 г.). Машина имела три (!) процессора Zilog Z8S180 с тактовой частотой 14,3 МГц. Первый предназначался для работы прикладного ПО, ОС и драйвера сенсорного экрана, второй — для управления энергопотреблением, последний — для системы распознавания рукописного ввода. Машина имела сенсорный монохромный экран с разрешением 320x240, 192 Кбайт памяти (32 Кбайт использовалось для видеоОЗУ, 32 Кбайт — для системы распознавания, 128 Кбайт — пользовательское ОЗУ). Подобных систем было множество: Casio Zoomer, GRiD/AST 2390, Sony Magic Link, Sharp Zaurus... Apple Newton MessagePad стал новым этапом в истории развития КПК.

Ростки унификации

После выпуска Newton MessagePad «зоопарк» моделей КПК значительно сократился. Тут сказались и действия Apple по рекламе MessagePad, и общая ситуация на рынке. В некотором смысле Newton стал первой более или менее унифицированной платформой для КПК. На его базе было создано несколько клонов, таких, как Sharp ExpertPad и Motorola Marco (кстати, этот аппарат оснащался встроенным радиомодемом).

Newton MessagePad — первый КПК, в котором применялся ЦП на базе архитектуры ARM (ARM 610 с тактовой частотой 20 МГц), сенсорный ЖК-экран 400x336 пикселов, 4-Мбайт ПЗУ, 640-Кбайт ОЗУ (482 Кбайт которого отводилось для системных нужд, 158 было доступно пользователю), разъем PCMCIA Type II, последовательный и инфракрасный порты. Со временем появились новые модели, но архитектура оставалась общей. Правда, Newton опередил свое время и не принес Apple финансового успеха. В 1998 г. его официально сняли с производства.

В 1996 г. на рынке КПК появился новый лидер — Palm Pilot на ЦП семейства Motorola DragonBall. В первых моделях применялись DragonBall/l6 МГц (МС68328), КПК имели 256-512-Кбайт ОЗУ (512 Кбайт в модели 5000), имелся ЖК-экран с разрешением 160x160 пикселов.

DragonBall оставался платформой для Palm OS более пяти лет, фактически именно Palm во многом стал для Motorola стимулом для развития и совершенствования этой серии ЦП. С каждой новой моделью ЦП появлялся новый Palm, DragonBall EZ (M68EZ328, 16 МГц) — в Palm III, Palm mlOx, Palm Zire; DragonBall VZ (MC68VZ328, 33,1 МГц, на микросхеме интегрирована вся основная периферия, в том числе контроллер цветного ЖК-экрана) — в Palm ml25, m500, ml30, m515, Tungsten W. Был выпущен DragonBall Super VZ, но этот ЦП использовала только Sony (ныне прекратившая производство КПК на базе Palm OS). В 2002 г. Palm объявила о переходе на архитектуру ARM (изначально планировалось использовать ЦП DragonBall MX с ARM-ядром, но в итоге Palm приняла решение перейти на TI ОМАР). Параллельно в сектор мобильных устройств приходит и Microsoft. Примечательно, что первые модели КПК па базе ее платформы Windows СЕ работали на ЦП с совершенно различной архитектурой — Hitachi SH3/SH4, MIPS, ARM, причем последний долгое время практически не использовался. В клавиатурных моделях класса HandHeld PC и в компактных Palm-Size PC чаще встречались MIPS SH3. Но затем с выпуском Compaq iPAQ, построенного на StrongARM, эта архитектура стала набирать популярность и в 2000 г. волевым решением Microsoft в спецификации Windows Powered Pocket PC был оставлен только ARM.

ARM как общий знаменатель

Итак, элементная база КПК и мобильных устройств сегодня в основном унифицирована. В эволюционной борьбе выиграли решения трех поставщиков — Intel, Texas Instruments и Samsung, а многообразие схемотехнических решений свелось к выбору и применению того или иного высокоинтегрированного модуля и подбору компонентов, исходя в основном из цены и, возможно, специфических требований, накладываемых выбранной ОС. Все они построены на архитектуре ARM.

ARM: генезис

В 1985 г. английская компания Acorn Computer Group приступила к созданию RISC-процессора. Эта фирма занималась разработкой персональных компьютеров, которые пользовались популярностью в Англии. Машины были весьма интересные: уже тогда они имели графический интерфейс, многозадачный режим работы, весьма стройную архитектуру. Необходимость в собственном ЦП была связана с требованиями роста и развития, компании было необходимо конкурировать как с многочисленными ПК других изготовителей, так и с IBM PC (в Англии его победа была не столь быстрой и триумфальной, как в США).

До этого момента Acorn разрабатывала и делала все самостоятельно, от процессоров и системных плат до ОС и прикладного ПО. Но тут руководство приняло решение отойти от привычной практики, и Acorn направила в Intel запрос на лицензирование ядра ЦП i80286 — по тем временам новинки. Однако Intel не согласилась:

«Мы продаем процессоры, а не ядра». Acorn была вынуждена искать другие решения. В то время выбор огранивался кристаллами National 16032 и Motorola 68000, причем оба ЦП разработчики забраковали. Они плохо вписывались в архитектуру, были сложны, обеспечивали плохое время реакции на прерывания и т. п. Последнее стало основной причиной отказа от них, поскольку для Acorn скорость обработки прерываний была одним из критичных параметров, определявших «отзывчивость» системы. В итоге принимается решение самостоятельно разрабатывать новый ЦП.

Ресурсы скромной фирмы были несравнимы с возможностями лидеров полупроводниковой индустрии. И решение о реализации системы на базе архитектуры RISC, в то время набиравшей популярность, но еще относительно новой, в значительной степени было обусловлено именно недостатком ресурсов. RISC-процессор был технологически проще, позволял добиться значительной вычислительной мощности, хорошего времени реакции на прерывания, а значит, и времени отклика системы и т. д. Началась разработка (хотя даже сами разработчики считали свое занятие сумасшествием), в октябре 1983 г. был готов первый прототип и ряд микросхем сопровождения (видеоконтроллер, контроллер ввода-вывода, память и пр.). ЦП получил название ARM (от Acorn RISC Machine), имел тактовую частоту 8 МГц и более высокое быстродействие, чем тогдашний 80286. Правда, начальная версия в производство не пошла, в реальных системах использовался ARM 2.

В течение нескольких лет дела Acorn и ARM шли довольно вяло, под натиском х86 легендарные компьютеры «восьмибитной» эры один за другим сдавали позиции. Acorn держался долго, но... После продолжительного периода неудач и финансовых неурядиц Acorn RISC Machine была реорганизована в ARM Limited, которая оказалась более успешной, чем ее прародитель. ARM начала лицензировать технологические решения, в том числе ядро ЦП. И именно эта стратегия принесла ей успех. Сегодня ARM Ltd. — один из крупнейших «бесфабричных» разработчиков микропроцессорных архитектур. Лицензии на ядро ARM сейчас имеет практически любая более или менее крупная компания и даже некоторые конкуренты ARM (в том числе и Intel).

ARM: эволюция

В 1991 г. был создан ARM6 (вариантов ARM4 и ARM5 не было по маркетинговым соображениям). ARM 610 стал основой знаменитого Apple Newton MessagePad (до того Apple подумывала также о ЦП AT&T Hobbit). Этот ЦП обеспечивал достаточное быстродействие и был немного сложнее предшественников (35 тыс. транзисторов против 30 тыс. в ARM3), что позволяло удешевить производство на полупроводниковых заводах того времени.

В то же время появилась принятая и сегодня схема обозначений: ARM6 — собственно ядро, ARM60 — целостный ЦП, ARM610 — более развитые модификации ЦП с кэш-памятью, остальные цифры в номере означают наличие той или иной периферии, буквы — те или иные расширения системы команд.

Сегодня ARM предлагает широкую номенклатуру микропроцессорных ядер, архитектурных расширений, инструментальных средств и т. п. Если подходить к вопросу строго, то нужно заметить, что «процессора ARM» как такового не существует. ARM — это название архитектуры. Компания-разработчик продает ядро ЦП, оформленное либо в виде программы на языке Verilog (синтезируемые ядра), либо принципиальной схемы, либо в виде топологической макроячейки. Кроме ЦП предлагается целый ряд других решений, в частности библиотека макроячеек, реализующих стандартную периферию (PowerCell), а также разнообразные дополнительные технологии.

Модельный ряд ядер ARM развивался весьма интенсивно. В номенклатуре ядер ARM место младшего занимает семейство ARM7 Thumb, оно обеспечивает производительность около 130 MIPS, очень компактно (при проектных нормах 180 нм модификация ARM7TDMI занимает всего 0,59 мм2), удельное энергопотребление 0,25 мВт/МГц. Существуют также синтезируемые ядра ARM7TDMI-S и ARM7EJ-S, отличающиеся наличием в системе команд DSP-инструкций и средств акселерации работы виртуальной машины Java (Jazelle). ARM720T оснащается полнофункциональным модулем управления памятью (MMU, размер страницы 4-64 Кбайт), а ARM740T — упрощенным (MPU, без режима трансляции адресов). Оба ЦП имеют кэш-память (8 Кбайт).

В феврале 1996 г. DEC в сотрудничестве с ARM разработала первый ЦП серии StrongARM (SA-110) с пятиступенчатым конвейером, пятипортовым файлом регистров, блоком умножения и т. д., его энергопотребление примерно 1 Вт при тактовой частоте до 233 МГц.

ARM8 — в известной мере переходная модель, разработанная «по следам» совместного с DEC проекта StrongARM, довольно быстро сменившаяся ARM9 (с гарвардской шиной, буфером записи, гибкой схемой защиты памяти). Серия ARM9 Thumb создавалась для портативных устройств со значительными требованиями к быстродействию, производительность ядра достигает 220 MIPS, удельное потребление 0,3 мВт/МГц. В серии имеется несколько модификаций (в том числе ARM920T, ARM922T и ARM940T) с раздельными кэшами команд и данных (16/16, 8/8 и 4/4 Кбайт соответственно). Модификации ARM920T и ARM922T оснащаются MMU. В этой же серии существует семейство ядер ARM9E-S Thumb с DSP-расширениями системы команд и дополнительными средствами, повышающими быстродействие при обработке медиа-кода (в частности, умножитель-накопитель, в ЦП может быть предусмотрен математический сопроцессор VFP9-S, обеспечивающий выполнение операции с плавающей точкой над данными двойной точности). Емкость кэша от 1 Мбайт в ARM946E-S до 4-128 Кбайт в ARM926EJ-S.

Серия ARM10 Thumb ориентирована на 110-нм технологический процесс. Быстродействие ЦП этой серии достигает 700 MIPS при сохранении удельного потребления ARM9. В ядре используются 64-разрядные шины адреса и данных, имеются модули управления памятью команд и данных, в ядро может быть включен математический сопроцессор и т. д.

ARM 11 привнес рост производительности (до 1200 Dhrystone MIPS), еще более мощные средства кодирования и декодирования с акцентом на операции, свойственные MPEG-4, возможность роста тактовых частот за пределы 1 ГГц, улучшенные возможности организации многоядерных конфигураций и т. д.

Кроме процессорных ядер, существует несколько версий самой архитектуры ARM. Об этом следует помнить, поскольку нумерация ядер и архитектур не совпадает (например, в наиболее мощном на сегодня ядре ARM11 реализована система команд ARMv6).

Самая старая из существующих сейчас архитектур — ARMv4, она используется, например, в популярных ЦП StrongARM. ARNv1 предполагает работу с 32-разрядными операндами в 32-разрядном адресном пространстве. ARMv4T — то же, но с добавлением набора инструкций Thumb (команды Thumb транслируются в их 32-разрядные аналоги). ARMv5 реализована в процессорах Intel XScale. Версия ARMv5TE стала первой, где реализованы DSP-расширения ARM, ARMv5TEJ — то же, но с добавлением команд акселерации Java (Jazelle). ARMv6 была серьезно доработана: появились средства работы с потоковыми данными (SIMD), Thumb-2 TrustZone. Архитектура ARMv7 ввела понятие «процессорных профилей»: «профиль А» определял требования к ЦП для полномасштабных ОС со сложной логикой работы с виртуальной памятью и прикладным ПО, «R» — для систем реального времени, «М» — для микроконтроллеров.

ARM inside

ARM — 32-разрядная, классическая load/store (в качестве операндов могут использоваться только загруженные в регистры процессора значения) RISC-архитектура. Она исключительно эффективна, обеспечивает высокое быстродействие и минимальные требования к питанию и при этом проста с точки зрения технологического процесса изготовления СБИС. В ранних моделях использовалась классическая архитектура фон Неймана (с общей памятью для данных и машинного кода), в современных моделях используется гарвардская архитектура (с раздельной памятью для кода и данных, как минимум на уровне кэша).

ЦП совместимы сверху-вниз, система команд довольно оригинальна, в частности все команды имеют одинаковую длину, выровнены по границе 32-разрядного слова, выполняются за один такт (за некоторыми исключениями). В классических ARM конвейер был короткий, всего три ступени, в современных вариантах доходит до восьми, а также реализуются средства суперконвейерной обработки. Кроме того, все команды условные для минимизации потерь при ветвлении (нередко для фрагментов кода выгоднее пропустить несколько команд, чем заниматься предсказанием ветвлений). Впрочем, в ряде модифицированных архитектур используются и блоки предсказания ветвлений (прежде всего это, конечно, Intel XScale). Имеются команды групповой пересылки, организации взаимодействия с сопроцессором и т. д. Менеджер памяти (MMU) в классической реализации также выполнен в виде отдельного модуля.

В ядре ARM имеется 16 видимых в пользовательском режиме 32-разрядных регистров (R0...R15, всего 31 регистр), счетчик команд (R15), регистр «связи» (R14), указатель стека программ (R13). Процессор может находиться в пяти режимах: привилегированном, пользовательском, прерывания, быстрого прерывания и исключения. При вызове обработчика быстрого прерывания стандартные регистры R8-R14 переименовываются (затеняются), при переходе из нользовательско-го режима в любой из системных переименовываются регистры R13 и R14. Предусматриваются механизмы быстрой обработки прерываний с оригинальной схемой «затенения» регистров (благодаря этому удается избежать такой «тяжелой» операции, как сохранение их содержимого в обработчике прерывания).

В процессорах ARM имеется ряд расширений системы команд, они присутствуют в соответствующим образом помеченных ядрах. Отметим, в частности, наличие специального 16-разрядного подмножества команд Thumb. Оно было разработано в связи с необходимостью повышения компактности кода. Как известно, программный код RISC-ЦП в среднем значительно объемнее, чем для CISC. Хотя ARM и здесь смотрится весьма достойно, тем не менее оставалась возможность оптимизировать этот параметр. Для этого было выбрано некое подмножество команд ЦП, которые были приведены к 16-разрядному виду путем удаления «избыточных» полей в операндах, адресации меньшего количества регистров и т. д. При таком подходе код становится компактнее на 25-35% (в зависимости от особенностей конкретного алгоритма), что важно при организации хранения программных модулей в условиях дефицита памяти. Процессор способен исполнять его с небольшими потерями в скорости, на лету транслируя команды в их 32-разрядные аналоги. Также имеются специальные средства для ускорения работы виртуальной машины Java (Jazelle), безопасности (Trust-Zone), SIMD.

Впрочем, обсуждение архитектуры ARM — это отдельная, весьма интересная тема, за более подробной информацией стоит обратиться к документации на ЦП (в частности, на Web-узле разработчика, www.arm.com).

На сегодня ARM стал стандартом де-факто в мире процессоров для сверхкомпактных устройств. Все три популярные сегодня платформы для КПК, смартфонов и коммуникаторов — Intel PCA (XScale), TI ОМАР/ 0МАР2 и Samsung S3C — основаны именно на ней. Рассмотрим их подробнее.

Intel PCA

По меткому выражению одного из корифеев компьютерной индустрии, «архитектура х86 есть торжество маркетинга над здравым смыслом». Эти ЦП тянут на себе ужасающий груз совместимости, а в жизни инженеров Intel (правда, в основном у технологов) в буквальном смысле есть место подвигу, когда приходится выпускать новые ЦП, сохраняя совместимость с разработками, созданными более двух десятилетий назад. Но в сегменте настольных и мобильных ПК, реализованных на традиционных технологиях, выхода нет — требования совместимости для ноутбуков звучат столь же значимо, как и для настольных ПК. Тем не менее в сегменте карманных компьютеров ситуация несколько иная.

Компания Intel — один из главных участников рынка в секторе ЦП для карманных ПК. Но именно «один из», здесь у нее есть сильные соперники, с которыми приходится бороться не только маркетинговыми, но и технологическими приемами.

В данный момент у Intel имеется три серии микросхем для карманных ПК (одна — для мобильных телефонов) и ряд дополнительных системных решений. История мобильных разработок Intel XScale, в общем, началась с покупки процессорного бизнеса компании Digital Equipment, создавшей микропроцессор StrongARM. Он несколько отличался от существовавших тогда реализаций. Главная задача, которую ставили перед собой разработчики этого ЦП, — создание быстродействующего ЦП с минимальными требованиями к питанию. Позднее, после покупки Intel микропроцессорного подразделения DEC, этот процессор выпускала компания Intel. Она довольно долго не обращала внимания на эту процессорную серию (во многом покупка была обусловлена возможностью разрешить ряд патентных коллизий, а вовсе не интересом к наработкам соперника; тем более что Intel на тот момент акцентировала внимание на RISC-ЦП других серий, таких, как i860 и i960).

Тем не менее Intel наладила производство StrongARM SA-1110 и разработала несколько его модификаций. ЦП (строго говоря, это была высокоинтегрирован-ная СБИС) StrongARM был основан на архитектуре ARMv4, имел трехступенчатый конвейер, 32-разрядную адресацию, аппаратную поддержку виртуальной памяти (двухуровневая таблица страниц), 32-Кбайт кэши команд и данных, 32-Кбайт буфер и был несовместим с режимом Thumb. StrongARM мог функционировать при частота^ 133, а позднее 206 МГц (до того нормой считалось 33—66 МГц).

Intel выпустила также микросхему сопровождения SA-1111, содержавшую контроллер USB, управления питанием, некоторую периферию. Эта микросхема также может быть использована с процессорами серии РХА25х.

Именно на StrongARM был построен первый КПК с  Windows   СЕ,   использующий   ЦП   с   архитектурой ARM — Compaq iPAQ. StrongARM SA-1110 потреблял 0,25 Вт при высокой (большей, чем у ЦП SH3 и MIPS, также применявшихся в КПК с Windows СЕ) производительности. Спустя некоторое время, в немалой степени благодаря успеху и популярности iPAQ, архитектура ARM стала стандартом де-факто в мире КПК, и с анонсом платформы Windows Powered Pocket PC 2000 Microsoft только закрепила это положение и де-юре. Обретя гарантированный рынок сбыта, Intel занялась совершенствованием серии, переименовав ее в XScale (в частности, был добавлен набор инструкций Thumb, улучшены средства управления питанием, расширена система команд и т.д.).

Сегодня комплекс технологий для рынка интеллектуальных мобильных устройств компания именует Intel Personal Internet Client Architecture (PCA). Строго говоря, использовать термин «платформа» в смысле полного, но достаточно жесткого и ограниченного определенными рамками архитектурного решения, в случае с Intel PCA было бы не совсем правомерно. Это скорее воплощение некоего стратегического видении Intel в отношении создания мобильных устройств. РСА специфицирует базовые компоненты, необходимые для решения этой задачи, в то же время оставляя возможность для маневра изготовителям. Не в последнюю очередь она нацелена на создание простой методологии создания мобильного ПО с высокой степенью переносимости или с минимальными требованиями к адаптации.

В рамках РСА существует несколько направлений: ЦП для мобильных и встраиваемых применений, архитектура для DSP-решений, флэш-память. В ряде случаев туда же относится такое направление, как разработка высокоинтегрированных СБИС для сверхминиатюрных устройств (в данном контексте прежде всего мобильных телефонов) и специализирова