Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Escuela Técnica Superior de Ingenieros de

Telecomunicación

Microprocesadores en teléfonos móviles.

Microprocesadores para comunicaciones5º ETSIT – ULPGC

David Melián Perera

INDICE

1. Introducción ………………………………………………………………… 2

2. Propuesta de Texas Instrument …………………………………………. 3

2.1 OMAP 1710.2.2 OMAP 2420.

3. Propuesta de Nexperia …………………………………………………..... 73.1 MXC2503.2 MXC300

4. Propuesta de Marvell ………………………………………………………. 94.1 PXA90.4.2 PXA320.

5. Nuevas tendencias ………………….……………………………………… 11

6. Ejemplo: Under the hood iPhone ..………………………………………. 13

7. Referencias ………………………………………………………………….. 14

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1. Introducción

Las arquitecturas más populares en sistemas portátiles como teléfonos móviles son sistemas basados en procesadores ARM, debido a su pequeño tamaño y a las consecuencias de su poco consumo energético en la duración de las baterías. Podemos destacar que ARM sustenta aproximadamente el 95% de los procesadores de los teléfonos móviles, mediante las plataformas desarrolladas por otros fabricantes como Texas Instruments, Marvell, Intel, etc.

El propio CEO de la empresa, Warren East, definió la situación comparándola con la arquitectura x86 para la industria del PC. Además, ha referenciado las licencias con otras compañías que fabrican los chips finales para los teléfonos basados en los diseños de ARM.1

1 http://www.news.com/ARM-says-its-ready-for-the-iPhone/2008-1006_3-6192601.html

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1. Propuesta de Texas Instruments: OMAP.2

Esta plataforma es un conjunto de procesadores y software con soporte para procesamiento en tiempo real y bajo consumo energético, ideal para aplicaciones 2.5 y 3G de los actuales dispositivos móviles.

Figura 1. Evolución de la plataforma OMAP.

1.1OMAP1710:

Una gran parte de los teléfonos móviles del mercado, incluyendo la gran mayoría de los modelos de Nokia, han basado su circuitería en el TI OMAP1710, que se trata del primer procesador en 90nm y tecnología CMOS. 3

3 http://www.nokia-tuning.net/index.php?s=processor

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Figura 2. OMAP 1710.

De entre las características más destacables de este sistema podemos nombrar el núcleo formado por el TMS320C55x DSP junto al microprocesador ARM926TEJ, capaces de correr a una velocidad de 220 Mhz:

TMS320C55x DSP core subsystem:

32K x 16-bit on-chip dual-access RAM (DARAM) (64 KB) 48K x 16-bit on-chip single-access RAM (SARAM) (96 KB) 24 KB I-cache One/two instructions executed per cycle Video hardware accelerators for DCT, iDCT, pixel interpolation, and motion

estimation for video compression

ARM926TEJ core subsystem

32KB I-cache; 16KB D-cache Java acceleration Support for 32-bit and 16-bit (thumb mode) instruction sets Data and program MMUs Two 64-entry translation look-aside buffers (TLBs) for MMUs 17-word write buffer

Además, dispone de un DMA para la memoria compartida y un motor dedicado para el procesamiento de gráficos 2D. Soporta USB, tarjetas de memoria, IrDA, etc.

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2.2. OMAP 2420:

Los últimos modelos de Nokia de alta gama, traen sistemas basados en ARM11, como por ejemplo la propuesta de Texas Instruments, la serie 2 de su plataforma OMAP. Esto se transforma en una mejora para el usuario a la hora de ejecutar aplicaciones y operar funciones múltiples simultáneamente sin que se vea comprometida la calidad del servicio:

Figura 3. Resumen OMAP 2420.

El OMAP 2420 incluye un núcleo formado por el DSP visto anteriormente en el OMAP 1710, pero esta vez acompañado por un procesador ARM1136, pudiendo soportar este ultimo velocidades de hasta 330 Mhz, un acelerador para gráficos 2D/3D y un sistema de interconexión de alto rendimiento para el resto de periféricos estándares.

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Figura 4. Detalle de la plataforma OMAP 2420.Como curiosidad, podemos destacar las nuevas líneas de investigación para ofrecer televisión móvil, es decir, una implementación del protocolo DVB-H. En esta plataforma vemos la posibilidad de conectar un aparato de video digital, pero en los modelos superiores, ya se encuentran diseños con chips propios.4 5

4 http://focus.ti.com/docs/pr/pressrelease.jhtml?prelId=sc060255 http://focus.ti.com/general/docs/wtbu/wtbuproductcontent.tsp?templateId=6123&navigationId=12732&contentId=27883

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3. Propuesta de Freescale: MXC.6

Algunos modelos de los teléfonos Motorola, se basan en sistemas de su compañera Freescale, que también ha seguido la evolución del mercado de las tecnologías para móviles, con sus plataformas MXC. Todas ellas también están basadas en microprocesadores ARM, desde los ARM7 para las primeras versiones de telefonía 2G, hasta los nuevos ARM11 para tecnologías 3G.

Figura 5. Evolución del MXC.

3.1 MXC250:

Figura 6. Freescale MXC250.

La parte interesante de este diseño es el DSP56631 Dual-Core Baseband Processor, que integra el DSP56600 conjuntamente con un microcontrolador ARM7.

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3.2 MXC300:

La nueva apuesta de Freescale para la tecnología 3G es el MXC300-30. El núcleo combina un DSP StarCore SC140e y un procesador ARM1136, corriendo a unas velocidades de hasta 250 y 532 MHz respectivamente.

Figura 7. Freescale MXC300-30.

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4. Propuesta de MARVELL: PXA.7

Esta compañía también apuesta por el mercado de las plataformas para teléfonos móviles, y lo hace haciendo uso de sus acuerdos con Intel para el uso de la tecnología XScale. Funciones de reconocimiento de voz, pantallas a todo color, video streaming, bluetooth son proporcionadas por los procesadores de aplicaciones de Marvell, con un ahorro de energía que propicia la evolución de los dispositivos móviles, gracias a la arquitectura Intel XScale:

4.1 PXA90:

Figura 8. Marvell PXA90x.

Debajo del núcleo Marvell PXA, se encuentra un microprocesador ARM modificado, conocido como tecnología Intel XScale que, combinándolo con los periféricos se consigue diseñar dispositivos mas pequeños, con mayores rendimientos y ofreciendo grandes experiencias multimedia. La arquitectura Intel-XScale que permite operar a diferentes velocidades y con variables consumos de potencia ofrece la flexibilidad buscada.

Este diseño incorpora las funcionalidades de un DSP junto con un microcontrolador, mejorando la eficiencia y el consumo de potencia de los diseños tradicionales de DSPs. Además, incluye memoria RAM estática y memoria Flash para el sistema operativo, para la pila de programa y para las aplicaciones del usuario.

7 http://www.marvell.com/products/cellular/applications.jsp

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4.2 PXA320:

Figura 9. Marvell PXA320.

La nueva serie PXA320, posee un núcleo capaz de correr a velocidades de hasta 800 Mhz, con una caché de primer nivel de 32 KB separada para datos e instrucciones y una caché de nivel dos, de 256 KB. Como novedad en las series 300, aparece la tecnología Wireless Intel® SpeedStep con Instrucción Power Manager software para aumentar la vida de las baterías. Para dar soporte a streaming de video, se hace uso de un acelerador de gráficos 2D, un framebuffer de 768 KB y la tecnología Intel Wireless MMX-2 provenientes del co-procesador.

Podemos citar como ejemplo el modelo 9000 de Qtek, que posee un sistema basado en el chip PXA300, corriendo a una velocidad de 520 MHz, o también el Motorota A780.

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5. Nuevas tendencias: ARM Cortex A-9 MPCore.8

El nuevo diseño de ARM Cortex A-9, posee una implementación para singlecore y su correspondiente multicore. Con arquitecturas multiprocesador se puede conseguir satisfacer las actuales demandas de rendimiento y bajo consumo, ofreciendo así altos niveles de flexibilidad para el diseño de toda la tecnología portátil, con soporte de 1 a 4 CPUs integradas en una política de cachés coherentes. Cada procesador puede ser configurado independientemente para establecer, por ejemplo, sus tamaños de cachés.

Figura 10. Rendimiento según número CPUs.

En cuanto a consumo de potencia, vemos que a medida que aceptamos un mayor consumo, vamos obteniendo mejores rendimientos con las plataformas multinúcleo, consiguiendo máximos de hasta xN (siendo N el nº de CPUs) , mientras que si exigimos el menor consumo, las diferencias de rendimiento se ven reducidas considerablemente. Este diseño, basado en la más avanzada y alta tecnología proporcionando multi-tarea, superescalaridad, ejecución fuera de orden y segmentación de 8 etapas podrá satisfacer las demandas de un gran sector de consumidores, desde networking hasta aplicaciones móviles.

8 http://www.arm.com/products/CPUs/ARMCortex-A9_MPCore.html

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Figura 11. ARMCortex A-9MPCore

El esquema principal de este diseño está definido por una estructura de cachés individua-les de nivel uno para cada uno de los núcleos, separando datos e instrucciones. Todo ello se controla por la unidad inteligente SCU, responsable de las interconexiones, comunica-ciones, transferencias entre cachés y memoria del sistema y del resto de características implícitas de un sistema multinúcleo.

Por su parte, el ACP (Accelerator Coherence Port), es una interfaz esclava compatible AMBA que proporciona la interconectividad a cada procesador con un gran número de po-sibles maestros del sistema, como por ejemplo el controlador DMA.

Para dar flexibilidad a la comunicación entre procesadores, se utilizan hasta 224 interrup-ciones priorizadas mediante hardware y controladazas por software, las cuales son res-ponsabilidad del GIC (Generic Interrupt Controller).

El controlador de caché L2 (PrimeCell® PL310) de hasta 2MB con entre 4 y 16 vías de tipo asociativo es capaz de operar a la misma frecuencia que el procesador.

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6. Under the hood iPhone.9

Se puede decir que hay teléfonos en el mercado con mejor funcionamiento que el iPhone, así mismo hay muchos reproductores mp3 mejores que el iPod, pero realmente estas máquinas se han puesto a la cabeza del mercado, gracias a una pantalla interactiva táctil y a su integración con iTunes. Hay que hacer especial hincapié en el mérito del diseño.

En cierto modo, se pude comparar con la consola Nintento Wii, que pese a ser tecnológicamente inferior a sus competi-doras (Sony PlayStation 3 o Microsoft Xbox 360), se ha hecho un lugar en el mercado junto a ellas, gracias a la tecno-logía revolucionaria de su mando.

Mirando dentro del iPhone, vemos que hay 3 chips con el logo de Apple. El componente más destacado es el procesador, nombrado como Samsung S5L8900, que posteriormente analizaremos. Los otros componentes de interés son: el chip Marvell 88W8686 WLAN y el chip para el motor multimedia Infineon's PMB8876 S-Gold 2. Únicamente con estos 3 chips, tenemos 3 núcleos ARM en el iPhone, no descartándose que pudiera existir alguno mas en otro componente, como puede ser el caso del Philips LPC2221, que se trata de un Nexperia con un 16/32-bit ARM7TDMI-S CPU microcontrollador.10

El Samsung S5L8900 no es realmente un procesador, sino un chipset, que incorpora, entre otras cosas, un procesador ARM 1176JZF-S, un adaptador gráfico PowerVR MBX, una unidad FPU y una unidad criptoprocesadora TCM.

El Infineon PMB8876 es el chip encargado de combinar el procesamiento multimedia tal como 3D Gaming, mp3 decoder, IrDA, MPEG4/H.263 enconder hardware (MOVE® copro-

9 http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=200001811

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cessor), camera support, video streaming con las funcionalidades GSM/E-GPRS/GPRS modem support. Todo ello gestionado por otro núcleo ARM, en este caso un ARM 926.

Por último, Marvell ha sido el encargado de la interfaz wifi del equipo, mediante el 88W8686, que ha sido reconocido como el primer SoC en 90nm para 802.11a/b/g de ultra bajo consumo. Basado también, por supuesto, en un procesador ARM 7 ó 9.

2 http://focus.ti.com/general/docs/wtbu/wtbugencontent.tsp?templateId=6123&navigationId=11988&contentId=46386 http://www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?nodeId=01m6cy10 http://www.chipworks.com/blogs.aspx?id=4174&blogid=86

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