Arhitectura dispozitivelor mobile

Arhitectura dispozitivelor mobile - prezentare -

2011

Arhitectura dispozitivelor mobile - Cuprins Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

Arhitectura dispozitivelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

Introducere (1) ď Ž

ď Ž

Sistemele mobile si incorporate sunt la ora actuala cele mai raspandite, depasind ca numar si ca vanzare calculatoarele traditionale Sistemele mobile se afla oriunde in jurul nostru: celulare, playere, camere digitale, sisteme de navigatie cu GPS, PDA-uri‌. si lista poate continua

Introducere (2) Telefoanele celulare au aparut pentru prima data in anii 1980  In 2007, rata de raspandire a telefoanelor mobile in lume era de aprox. 82%  Care sunt principalele cerinte ale unui telefon mobil? 

 sa

asigure comunicatia wireless catre o alta statie  portabilitatea (dimensiuni mici)  sa poata fi folosit pe o perioada de timp de ordinul zilelor fara reincarcarea bateriei (consum redus)

Arhitectura telefoanelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

O privire de ansamblu (1) 

Mai multe generatii de telefoane: 

Prima generatie: 1G (1980) – telefoanele foloseau transmisie analogica; 

dezavantaje:   



consumau mai multa putere la transmisie, puteau fi prezenti mai putini useri in acelasi interval de banda, echipamentele era mai voluminoase

A doua generatie: 2G (1990) – trecerea la transmisia digitala; datele de voce erau comprimate, salvand latime de banda; 

avantaje:   



erau tolerate mai multe protocoale de comunicatie, mai multi useri puteau opera in aceeasi frecventa de banda, lansarea pe piata a unor dispozitive din ce in ce mai mici.

Telefonia 2-G este organizata in jurul unui chip DSP cu oarecare memorie si periferice.

O privire de ansamblu (2) 

Generatia 3G – din ultima decada, are ca principale trasaturi:   



Internetul mobil Wide-area wireless voice telephone Apeluri video si TV mobil

In 2009, s-a lansat generatia 4G care implica:    

acces la internet pe ultra latime de banda 100 Mbit/s telefonie IP servicii de gaming streamed multimedia

O privire de ansamblu (3) – schema bloc 3 mari sectiuni: - prima se ocupa cu managementul puterii consumate: distributia energiei in dispozitiv & sectiunea care se ocupa cu incarcarea bateriei - a doua este sectiunea radio cu 4 mari functii: comutarea de banda, amplificarea puterii, functia de transmitator si cea de receptor - a treia este sectiunea de calcul, compusa din CPU si memorie (Flash, Ram, Combo chip)

Arhitectura telefoanelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

(Generatia 2G (1 

Ce inseamna DSP? 

 



“Digital Signal Processors” reprezinta pentru telefoanele mobile ceea ce inseamna microprocesoarele pt un sistem desktop - inima intregului sistem

DSP-urile au un singur scop principal: prelucrare rapida a semnalelor digitale pentru maximizarea productivitatii Un DSP exceleaza in aplicarea repetata a unei operatii pe un flux mare de date care paraseste procesorul aproape instantaneu (ex. Mp3 player) DSP-urile preiau cateva dintre caracteristicile procesoarelor RISC, dar nu toate. Preiau: pipeline-uri, insa folosesc si multe instructiuni CISC care sunt eficiente si des folosite

Generatia 2G (2) – ce deosebesc DSP-urile de alte uP ? 

1) arhitectura Harvard



2) UAL multiplica-acumuleaza (MAC) O unitate MAC poate inmulti 2 argumente si aduna rezultatul cu altceva intr-un sigur ciclu

Generatia 2G (3) – ce deosebesc DSP-urile de alte uP ?  

3) overhead 0 al buclelor 4) arhitectura prototip:

Generatia 2G (4) – arhitecturi DSP moderne ď Ž

Arhitectura TMS320C55

CPU are o arhitectura Harvard cu o magistrala de citire a codului si 3 magistrale de citire a datelor. In plus, sunt 2 magistrale de scriere pentru date. De aceea, in cazul ideal, procesorul poate citi 1 instructiune, 3 operanzi, si scrie 2 rezultate, toate in acelasi ciclu. Procesorul ofera productivitate sporita a datelor, necesara la procesarea semnalelor.

Diagrama unitatii de prelucrare a datelor ce contine: - Un barrel shifter care shifteaza o gama de pana la 32 de biti (stanga si dreapta) – util la alinierea octetilor sau a jumatatilor de cuvinte intrun singur ciclu - un ALU: adunari, scaderi, comparatii pe 32 de biti. Se poate despica in 2 ALU-uri cu operanzi de 16 biti fiecare => poate executa 2 operatii simultan - 2 MAC-uri sunt complementare procesorului

Arhitectura telefoanelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

Trecerea de la voice centric catre data centric systems (1) 



Aparitia DSP-urilor hibride – dispozitivul sa poata oferi noi functii: camera digitala, player muzical, baza de date, platforma pentru jocuri, etc Un chip DSP avea o putere de 5 MIPS (Mega Instructions per Second) in 1980, pe cand in 2010 ajunge la 50 GIPS.

Tendinta este scaderea dimensiunii tehnologiei, a pretului si a puterii consumate si cresterea MIPS, frecventei uP, memoriei RAM si implicit a nr. de tranzistori folositi.

Trecerea de la voice centric catre data centric systems (2) Exemplu de arhitectura de la Texas Instruments ce cuprinde: - Un core DSP TMS320C54 pentru procesare de semnal si interfata A/D - Un core ARM 925 – pentru operatii generale, menajarea SO si a perifericelor, securitate - un controller de trafic de memorie aflat in centrul arhitecturii

Trecerea de la voice centric catre data centric systems (3) 

Tendinte generale:  SOC (systems on a chip) – intreaga functionalitate este redusa intr-un chip, astfel placa de baza a unui dispozitiv complet contine doar chipul, memoria, un display, butoane, un chip de comunicatie wireless si plug-uri.  Management inteligent al consumului – legea lui Gene: puterea necesara pentru prelucrarea unui MIPS se injumatateste la fiecare 18 luni; insa, si integrarea circuitelor se dubleaza la fiecare 18 luni, de aceea puterea consumata se mentine oarecum constanta => alte solutii !  Puterea ~ C * (V^2) * F iar F ~ V , unde C=capacitate, V=voltaj, F=frecventa  Daca injumatatim tensiunea consumata V, puterea scade de 8 ori, insa sistemul este de 2 ori mai lent (din cauza injumatatirii frecventei) => consumul per MIPS se reduce de 4 ori  Exploatarea paralelismului: adaugarea unei noi unitati de prelucrare procesorului, creste C (nu dublu) dar face procesorul in mod ideal de 2 ori mai rapid. Deci, acum procesorul este la fel de rapid ca inainte de reducerea tensiunii, insa consumul/MIPS este redus de aproape 4 ori !

Trecerea de la voice centric catre data centric systems (4) 

Cum se poate reduce consumul de putere fara a afecta performanta? 



folosirea de pipeline – registrele din arhitectura RISC ce vor urma in instructiuni sunt vizibile software-ului, iar registrele redirectionate inutil catre UAL vor fi oprite din write back. S-a constatat ca eliminarea operatiilor inutile de write back economisesc cam 7% din consum. predictia cache-hit

Arhitectura telefoanelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

ARM (advanced RISC machine) 

Ce este ARM?  o arhitectura de tip RISC dezvoltata de catre ARM Holdings  cea mai folosita ISA (instruction set architecture) pe 32 de biti  arhitectura care domina piata de dispozitive incorporate si mobile prin preturile scazute si dimensiunile mici pentru uP si uC

ARM (2)  

Intregul subgrup al arhitecturii ARM a fost dedicat functionarii ca procesoare de semnal Un astfel de procesor adaptat a fost numit “Piccolo”  Piccolo functioneaza ca un coprocesor integrat pentru microprocesorul ARM standard, impartind cu acesta magistrala sistemului si putandu-i refolosi datele

Registrele sunt accesibile de catre programator si contin 32 de registre a cate 16 biti fiecare, sau 16 registre a cate 32 de biti pentru a maximiza ‘depozitul’ local al procesorului Piccolo, impreuna cu 4 registre de precizie extinsa, a cate 48 de biti fiecare.

O alta componenta notabila este un shift barrel de 32 de biti, un multiplicator intr-un singur ciclu 16*16, si un ALU despicat pentru operatii aritmetice, logice, pe 16 biti.

Registrele au o schema de remapare pentru optimizarea codului si overhead 0 la executia algoritmilor DSP.

ARM (3) 

Avantajele unui uP ARM + Piccolo: 



  

Reducerea suprafetei de silicon prin minimizarea cantitatii de cod stocat pe chip si prin folosirea eficienta a memoriei de pe chip (ceea ce nu s-ar fi intalnit in cazul folosirii a doua procesoare) Eficienta puterii consumate, ceea ce are ca rezultat prelungirea vietii bateriei si reducerea supraincalzirii

Arhitectura suporta pana la 16 coprocesoare logice Fiecare coprocesor poate avea pana la 16 registre private nelimitate la 32 de biti Coprocesoarele folosesc instructiuni de tip load/store

ARM (4) 



Interfata unui coprocesor ARM:  este un sistem “bus-watching”  printr-o magistrala conectata la procesorul ARM, primeste instructiuni si le muta din input buffer catre propriul pipeline intern  la inceperea executiei coprocesorului, exista un “hand-shake” intre ARM si coprocesor cand sunt ambii gata sa execute instructiunea. Protocolul include 3 semnale:  cpi – de la ARM catre coprocesor (ARM a gasit o instructiune pentru coprocesor si vrea sa fie executata)  cpa – de la coprocesor catre ARM, indica faptul ca nu exista un coprocesor disponibil pentru executia instructiunii curente  cpb – “coprocessor busy” – coprocesorul nu poate sa inceapa executia instructiunii curente Preemptivitate: un coprocesor poate incepe executia unei instructiuni imediat ce o primeste in pipeline daca “hand-shaking” nu a fost terminat

ARM (5) – variante

ARM (6) – variante 

Stellaris - o alegere buna pentru securitate, energie, conectivitate, automatizari



TMS570 - pentru tehnologia transporturilor: vehicule hibride si electrice, automobile, avioane, trenuri



Sitara – pentru mediul industrial si medical (instrumente medicale, HMI – human machine interaction)



Integra daVinci– pentru capturi video, procesari si display

ARM (7) – variante 

OMAP™    



Procesoare ARM Cortex A8 bazate pe aplicatii Dual ARM Cortex-A9 bazat pe aplicatii Acceleratoare grafice si multimedia Suport pentru SO de nivel inalt: Linux, Android, Symbian, WinCE

Ideal pentru:       

portabilitate, mobilitate procesarea aplicatiilor de nivel inalt performanta multimedia grafica de nivel inalt si display wireless conectivitate wireless: WiFi, 3G/4G baterie cu viata lunga refolosirea software-ului si portabilitatea sa

Arhitectura telefoanelor mobile Introducere  O privire de ansamblu  Generatia 2G  Arhitecturi data centric  ARM  Concluzie 

Concluzie ď Ž

ď Ž

Arhitectura dispozitivelor mobile este un domeniu la fel de important precum arhitectura calculatoarelor intrucat numarul mobilelor depaseste acum numarul de desktop-uri Dezvoltarea tehnologiei in acest domeniu se face rapid, dispozitivele indeplinind din ce in ce mai multe functii si in acelasi timp devenind din ce in ce mai accesibile consumatorilor

Intrebari ?

Va multumesc!