Вскрытие покажет! Разбираем карманный компьютер

Конвергенция возможностей полупроводниковых технологий и всеобщего естественного стремления к миниатюризации обеспечила появление мобильных компьютеров, доля которых постоянно растёт. В настоящее время продажи ноутбуков уже превышают продажи настольных вариантов. Однако на ноутбуках процесс минимизации компьютеров не остановился и нашёл своё продолжение в карманных персональных компьютерах (Pocket PC) – КПК или, как их принято называть во всём мире, PDA – Personal Digital Assistant. Их появлению и успешной эволюции в немалой степени способствовало своевременное появление удачной архитектуры и системы команд ARM, получивших своё воплощение и дальнейшее развитие в последовательности процессоров микроархитектуры Intel XScale.

Новая архитектура, комплектующие и созданные на их основе ультракомпактные компьютеры обеспечили появление перспективной отрасли производства соответствующих аппаратно-программных средств. Но, несмотря на малые размеры КПК, их цена, по мнению многих потенциальных пользователей, явно не соответствует области ориентации подобных изделий. Тем более что производители процессоров на многочисленных презентациях довольно часто утверждали, что благодаря применению совершенных технологий большинство традиционных компьютерных компонентов удалось реализовать совместно с процессорным ядром. При этом все они расположены на едином полупроводниковом кристалле в рамках одной микросхемы высокой степени интеграции.

Очевидно, что высокая интеграция должна была способствовать существенному снижению цены конечных изделий. И это действительно так, однако при оптовой цене процессора Intel PXA250 в $39,20 (на момент объявления) выпущенные спустя год на его основе многочисленные модели КПК имели цену $600-800. Такую разницу трудно было объяснить даже широтой функциональных возможностей изделий, тем более что, как известно, цены на процессоры спустя некоторое время после их объявления быстро снижаются.

Ответ на этот вопрос можно попытаться найти через анализ внутренней архитектуры КПК, например, КПК Pocket LOOX 600 фирмы Fujitsu Siemens Computers. Основой внутреннего устройства этого и ряда других КПК, исправно функционирующих у большого числа пользователей, является процессор Intel PXA250 микроархитектуры Intel XScale. Этот процессор, обладающий сравнительно высокими тактовой частотой и скоростью обработки данных, совместно с другими комплектующими составил базис архитектуры многих моделей КПК. Он обеспечил широкие функциональные возможности и высокую производительность данных устройств. Кроме того, процессор Intel PXA250 стал важным этапом эволюции элементов этого типа. Он заложил основы дизайна пришедших ему на смену моделей процессоров Intel XScale и, соответственно, созданных на их базе улучшенных моделей КПК, включая самые современные. Именно поэтому данный процессор заслуживает особого внимания.

Структура и параметры Intel PXA250

Процессор Intel PXA250 был разработан и выпущен корпорацией Intel в 2002 году и ориентирован на рынок карманных персональных компьютеров, смартфонов, коммуникаторов разного типа, включая устройства, снабжённые средствами беспроводной связи, а также встроенные системы обработки данных и т. п.

В основе процессора Intel PXA250 лежит 32 бит RISC ядро Intel XScale, обеспечивающее суперскалярное выполнение команд. Строение этого ядра основано на архитектуре Advanced RISC Mashines (ARM). Система команд Intel PXA250 совместима с ARM версии 5TE ISA (ARM Thumb Instruction Support, ARM DSP Enhanced Instructions). Это обеспечивает преемственность программного обеспечения, разработанного под предшествующие модели, например, Intel PXA210. Начало же было положено процессором Intel StrongARM SA-1110, созданным в соответствии с лицензионным соглашением между компаниями Intel и ARM.

Ядро XScale процессора Intel PXA250 обладает следующими характеристиками:

• 32 Кбайта кэш команд;
• 32 Кбайта кэш данных;
• 2 Кбайта мини кэш данных (отдельно от L1);
• 2 Кбайта мини кэш команд (предназначен для резидентной программы отладки, загружается только через порт JTAG);
• 40 бит аккумулятор и расширенное 16-разрядное устройство умножения для обработки мультимедийной информации;
• средства управления памятью инструкций и данных и др.

Совместно с ядром Intel XScale в состав процессора интегрированы следующие технические средства:

• контроллер памяти;
• контроллер тактовой частоты и мощности;
• контроллер DMA;
• контроллер LCD;
• USB Client;
• AC’97;
• I2S;
• MultiMediaCard;
• FIR Communication;
• Syinchronous Serial Protocol Port;
• 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.

Функциональная схема Intel PXA250, описывающая структуру, интегрированные элементы и контроллеры, входящие в состав данного процессора, представлена на рис. 2.

Встроенный в состав процессора Intel PXA250 контроллер памяти поддерживает широкий ассортимент типов микросхем с учётом их разной внутренней и внешней организации. Данным контроллером поддерживается: до четырёх банков памяти SDRAM, шесть статических чипов SRAM, SSRAM, Flash, ROM, SROM, а также чипы-компаньоны. Кроме того, в компьютерной системе, созданной на основе Intel PXA250, может быть до двух слотов PCMCIA или Compact Flash. При этом интерфейс системной памяти поддерживает: 100 МГц SDRAM, от 4 Мбайт до 256 Мбайт SDRAM, 4 банка SDRAM по 64 Мбайт.

Встроенный контроллер жидкокристаллического дисплея (LCD) способен работать с пассивными или активными панелями LCD. Этот контроллер обеспечивает поддержку 1, 2, 4 бит серого и 8 или 16 бит цвета пикселов, а 256 бит палитра обеспечивает гибкость. Возможна работа с дисплеем разрешения 1024х1024, однако рекомендованное разрешение – до 800х600 пикселов при 16 бит цвета.

Процессор Intel PXA250 разработан по технологии 0,18 мкм. Поддерживается работа ядра с тактовой частотой 100-400 МГц (для сравнения: максимальная тактовая частота Intel PXA210 достигала только значения 200 МГц). Разные режимы эксплуатации обеспечивают масштабирование компьютерной системы, созданной на основе Intel PXA250, как по производительности, определяемой тактовой частотой, так и по энергопотреблению, зависящему от тактовой частоты и напряжения питания.

Для отладки аппаратно-программных решений компания Intel выпустила специальную платформу Intel DBPXA250. Схемотехнические решения этой платформы нашли воплощение в архитектурах карманных персональных компьютеров, созданных на базе Intel PXA250, например, КПК Pocket LOOX 600. С помощью данной модели мы постараемся рассмотреть основы внутреннего строения КПК и попытаться понять причину существенного отличия цен процессора и созданных на его основе устройств. Но прежде следует напомнить некоторые особенности указанной модели КПК.

Основные технические параметры и конфигурация КПК

Внешний вид КПК Pocket LOOX 600 представлен на Рис. 3, а основные параметры этого компьютера приведены в таблице 1.

Основные параметры КПК Pocket LOOX 600 фирмы Fujitsu Siemens Computers:

Нелирическое отступление

Для того чтобы получить доступ к внутреннему устройству КПК и его компонентам, необходимо вскрыть корпус КПК, что и было нами выполнено. Однако следует отметить, что подобные операции не всегда бывают безобидными для исследуемых объектов.

Действительно, аккуратно разобранный и в дальнейшем не менее аккуратно собранный КПК отказался корректно работать. Как показала повторная разборка и тщательный осмотр компонентов с помощью сильной лупы, причина неприятностей заключалась в небольшой трещине на разъёме, соединяющим дисплей с основной платой. Конечно, можно было сколь угодно долго успокаивать себя мыслями, что «возможно, так и было всегда», но это не могло вернуть к жизни ранее исправное устройство. И только помощь фирмы «CPS – Технический Центр» позволила вернуть работоспособность КПК перед его возвратом. В связи с пережитым волнением необходимо предупредить, что повторять подобные операции над КПК настоятельно не рекомендуется.

Вниманиe! Ни автор, ни редакция не несут ответственности за нарушение работы устройств вследствие их непрофессиональной разборки!

Особенности внутреннего устройства КПК

На рис. 4 приведена упрощённая структура КПК Pocket LOOX 600, построенная на основе документов с описанием процессора Intel PXA 250 и параметров КПК.

На фотофрагментах, приведённых на Рис. 5 – Рис. 11, представлены основные комплектующие и ряд важнейших полупроводниковых микросхем КПК Pocket LOOX 600, включая процессор Intel PXA 250. При этом, оценивая особенности внутреннего устройства КПК, необходимо помнить, что указанный Intel XScale-процессор является основой не только описываемого варианта карманного персонального компьютера, но и многих моделей КПК от других фирм-производителей. Эти изделия широко представлены на компьютерном рынке, востребованы и пользуются заслуженной популярностью.

Рассмотрение архитектуры КПК Pocket LOOX 600 следует начать с крупных полупроводниковых элементов, представленных на рис. 6.

Слева от бело-жёлтого разъёма LCD-дисплея, находящегося в центре КПК, расположены микросхемы Sharp LZ9 FC22 и Microchip PIC16 LF874, а справа от этого разъёма – вышеупомянутый процессор Intel PXA250 и две микросхемы Intel 28 F128 J3 A150.

Как видно на представленном фото, процессор Intel PXA250 – самая большая микросхема на плате КПК. Она имеет маркировку i PXA250 B2 C400 L2280223. Параметры и внутреннее устройство этого элемента были подробно описаны выше и не требуют дополнительного уточнения.

Микросхема SHARP LZ9 FC22 поддерживает работу LC-дисплея КПК, произведённого также фирмой Sharp. Наименование фирмы-изготовителя данного дисплея можно обнаружить на его кромке слева в верхней части КПК Pocket LOOX 600 (рис. 9).

Кстати, рядом с разъёмом LCD находится микросхема MAX685 фирмы MAXIM. Данная микросхема представляет собой импульсный преобразователь с двуполярным выходным напряжением для питания дисплея КПК (Dual-Output – Positive and Negative, DC-DC Converter for CCD and LCD). Этот элемент, согласно техническим спецификациям, обеспечивает из входного напряжения уровня 2,7-5,5 В получение двух выходных напряжений отрицательной и положительной полярности сравнительно высокого уровня. Значение первого достигает -16 В, второго – до +45 В. Тактовая частота преобразователя составляет 480 кГц. С целью обеспечения безопасной работы комплектующих КПК электронные элементы с повышенными уровнями напряжений отделены от остальных компонентов специальной защитной пластиковой плёнкой. Для привлечения внимания к данным элементам конструкторов, сборщиков и настройщиков данных компьютеров, а также специалистов сервисных служб, обеспечивающих обслуживание и возможный ремонт КПК, в устройстве использована изолирующая пленка яркого оранжевого цвета.

Возвращаясь же к упомянутому выше перечню полупроводниковых микросхем, следует отметить, что Microchip PIC16 LF874 является относительно сложным микроконтроллером (CMOS FLASH Microcontroller). Этот функционально насыщенный элемент имеет в своём составе большое число сравнительно сложных интегрированных подсистем. Их перечень и параметры приведены в соответствующем техническом документе. Согласно этому документу, микросхема состоит из следующих встроенных в её состав компонентов: RISC CPU; 4 K x 14 bit words FLASH Program Memory; 192 byte Data Memory; 128 byte EEPROM Data Memory; 14 Interrupts; 3 Timers; I/O Ports – A, B, C, D, E; 10 bit Analog-to-Digital Module – 8 input channels; Instruction Set – 35 instructions; Capture/Compare/PWM Modules – 2; Serial Communications – MSSP, USART; Parallel Communications – PSP.

Кстати, функциональная сложность данной микросхемы Microchip PIC16 LF874, в составе которой использован сравнительно производительный RISC-процессор (RISC CPU), в какой-то степени меняет взгляд на архитектуру рассматриваемой и многих аналогичных компактных компьютерных систем. Учитывая наличие данного процессора в составе микросхемы Microchip PIC16 LF874, можно утверждать, что рассматриваемый КПК Pocket LOOX 600, несмотря на его скромные размеры и вес, является, вообще говоря, многопроцессорной системой.

Следующие микросхемы упомянутого выше перечня полупроводниковых элементов данного мобильного компьютера имеют наименование Intel 28F128J3A150. В соответствии с техническими материалами, найденными на сайте производителя, они представляют собой микросхемы флэш-памяти Intel StrataFlash (Intel StrataFlash Memory ICS FLASH MEM 3V 128MBIT, 64-BGA, 28F128J3A150), обеспечивающие энергонезависимое хранение программ и данных. Здесь уместно напомнить, что специальные фирменные технологии, реализованные в микросхемах этого типа памяти, получившей наименование Intel StrataFlash, обеспечивают повышенную плотность размещения программ и данных. Это достигается за счёт хранения нескольких бит информации для каждой ячейки памяти. Так, для случая двух бит реализация данной идеи позволяет увеличить ёмкость микросхем памяти в два раза. Это достигается сравнительно небольшим усложнением их внутренней структуры и соответствующего обслуживающего контроллера.

Рассматривая внутреннее устройство КПК Pocket LOOX 600, следует уделить внимание и другим элементам. Несмотря на их скромные размеры и более простое внутреннее устройство, без этих элементов невозможно корректное функционирование КПК.

Так, например, микросхема MAXIM MAX324 xx, находящаяся рядом с многопозиционным манипулятором, расположенным в нижней части устройства (рис. 7), является элементом внешнего интерфейса. Эта микросхема обеспечивает ввод/вывод информации через разъём в нижнем торце КПК.

К слову сказать, на приведённом фрагменте (рис. 7) присутствует часть панели LCD. Ниже данной панели хорошо виден плоский многожильный гибкий пластиковый кабель. Этот кабель осуществляет информационно-логическую связь дисплея с электронными компонентами системы через упоминаемый ранее разъём, расположенный в центре основной платы КПК (рис. 6).

Справа на рассматриваемом фрагменте платы КПК, рядом с микрофоном (алюминиевый цилиндр с торцом чёрного цвета), расположена микросхема Texas Instruments BQ24002. Эта микросхема относится к серии электронных компонентов, предназначенных для управления зарядкой литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов (Lithium-Chemistry Charger). Она предназначена для широкого класса беспроводных телефонов, КПК, цифровых камер и различных устройств бытовой электроники. Согласно технической информации данная микросхема Texas Instruments BQ24002 обеспечивает точность по току и напряжению ±1%. Для обеспечения сравнительно высокого уровня тока она содержит встроенный проходной относительно мощный MOSFET-транзистор. Несмотря на малые размеры транзистора, ограниченные габаритами корпуса микросхемы, а также отсутствие каких-либо элементов охлаждения, рабочий ток может достигать величины 1,2 А. Высокий уровень тока предоставляет возможность сравнительно быстрой зарядки аккумуляторной батареи, обеспечивающей автономную работу КПК.

Для поддержки автономной работы в составе КПК Pocket LOOX 600 использована двухсекционная несъёмная литий-полимерная аккумуляторная батарея SONY FUKUSHIMA. Эта батарея обладает ёмкостью 1520 мАч и хорошо видна на рис. 8.

Здесь же можно увидеть встроенные в конструкцию КПК специальные слоты расширения Compact Flash II (на фото КПК слева) и CD/MMC (на фото КПК в центре), а также соответствующие им контакты. Посредством этих слотов осуществляется подключение специальных карт.

Указанные карты расширения позволяют наращивать возможности аппаратно-программных средств данной малогабаритной компьютерной системы. В частности, с помощью модулей, выполненных в указанных стандартах, можно увеличить объём доступной флэш-памяти. Это существенно расширяет функциональные возможности КПК. Кроме того, посредством слота Compact Flash II можно наращивать систему за счёт подключения дополнительных устройств, в достатке выпускаемых компьютерной промышленностью. В качестве примера можно привести мультимедийные модули, а также модули распространённых интерфейсов проводной и беспроводной связи, обеспечивающих подключение КПК к локальным и глобальным сетям с целью приёма и передачи разнообразной информации.

Однако и с помощью встроенных в данный КПК средств можно успешно осуществлять беспроводную передачу данных. Для этой цели в ряде случаев вполне подходит традиционный интерфейс инфракрасной связи (ИК-связи), свето-и фотодиоды которого расположены в верхней части КПК (рис. 9). Здесь же расположены динамический звукоизлучатель (в центре), разъём для стереонаушников и контакты кнопки выключателя компьютера. Слева в торце КПК находятся колесо прокрутки, обеспечивающее скроллинг выводимых текстов, и два свето-фотодиода инфракрасного интерфейса (IrDA). На рис. 9 эти диоды специально выделены.

Кстати, посредством средств IrDA, входящих в состав КПК, и мобильного телефона можно выходить в Интернет. Конечно, для этого необходимо применять телефон с поддержкой данного интерфейса и использовать тарифы с поддержкой GPRS. Один из примеров выхода в Интернет посредством интерфейса IrDA приведён на рис. 10.

Следует отметить, что IrDA является не единственным беспроводным интерфейсом КПК Pocket LOOX 600. В составе этого КПК имеется еще и Bluetooth. Здесь целесообразно напомнить, что данный компактный компьютер стал первой моделью КПК с этим беспроводным интерфейсом, использующим радиодиапазон 2,4 ГГц.

Аппаратные средства интерфейса Bluetooth в составе КПК Pocket LOOX 600 приведены на рис. 11. Основным компонентом указанных средств является специальный модуль, представленный в центре и подключаемый к системе КПК посредством миниатюрного разъёма. Кроме этого модуля, в состав средств Bluetooth входит небольшая плата (вверху), а также кнопка управления (внизу). Указанные средства обеспечивают беспроводную передачу данных с устройствами, поддерживающими интерфейс Bluetooth, на расстоянии до 10 м. В качестве же примера подобных устройств можно привести значительное число моделей мобильных телефонов с Bluetooth. Совместно с ними КПК Pocket LOOX 600 способен обеспечить выход в Интернет посредством GPRS, что является немаловажным достоинством для пользователей, заинтересованных в оперативном доступе к электронной почте и к информационным возможностям глобальной сети. Кстати, в отличие от IrDA, интерфейс Bluetooth не требует прямой видимости между устройствами.

Безусловно, беспроводные интерфейсы повышают привлекательность КПК. Остаётся вспомнить о мультимедийных возможностях, офисных приложениях и т.п.

Оценивая же внутреннее устройство КПК, необходимо признать, что подобные ультракомпактные компьютеры по сложности своей архитектуры во многом не уступают своим более крупным аналогам. Как и настольные системы, а также ноутбуки, КПК состоят из большого количества элементов, что, вообще говоря, и объясняет их сравнительно немалую цену.

В заключение следует добавить, что, несмотря на сложность внутреннего устройства и широкие функциональные возможности КПК, необходимо отметить, что карманные персональные компьютеры не следует считать эквивалентной заменой ноутбукам или настольным ПК. Однако они могут рассматриваться в качестве удачного дополнения к своим более мощным собратьям.