Studiengang Bauingenieurwesen

Studienrichtung Bauinformatik

Lehrveranstaltung : Rechner- und Betriebssysteme

Vorlesende: Dr. Ing. Günther Schatter und Dr. rer. nat. Bernd Schwalbe

Autor :Timo Weiß

CPU fuer PDA und Pocket Computer

1. Einleitung 2. Anforderungen an CPU fuer PDA und Pocket Computer 3. Uebersicht der verbreitetsten CPUs 4. Architektur 4.1 Motorola Dragonball [1] - Familie 4.2 Intel StrongARM [2] - Familie 4.3 NEC VR [3] - Familie 4.4 Hitachi SH [4] - Familie 5. Vergleich 6. Zukunftsaussichten 7.Quellenverzeichnis

1. Einleitung

Der Nutzerkreis von PDA (Personal Digital Assistent) und Pocket Computer hat sich in den letzten Jahren vervielfacht. Das liegt vor allem daran, dass diese mobilen Kleincomputer den Anwender bei verschiedensten organisatorischen Aufgaben mit z.B. Adressverwaltung, Tabellenkakulationen sogar Email und Internet unterstützen. Dabei sind sie klein, leicht und haben eine relativ hohe Betriebsdauer.

Mit den steigenden Nutzerzahlen erhöht sich aber auch der Druck, diese Computer anwenderfreundlicher, schneller und funktioneller zu gestalten.

Deshalb wird die Entwicklung der CPUs eilig vorangetrieben.

2. Anforderungen an CPUs für PDA und Pocket Computer

Von einer CPU für PDA und Pocket Computer wird sehr viel gefordert. So soll sie klein, schnell, stromsparend, billig und hoch integriert sein. Das es bei all diesen Anforderungen keine allumfassende Lösung gibt, die alle Punkte hinreichend erfüllt, scheint nur zu verständlich.

Vor allem der Wiederspruch zwischen schnellen aber gleichzeitig stromsparenden CPUs stellt ein großes Problem dar. So sind z.B. heutige, schnelle CPUs für Desktop-PC wahre ‚Stromfresser’. Der Pentium III mit 1 GHz verbraucht z.B. rund 40 Watt.

Es muss also ein Kompromiss zwischen allen Anforderungen gefunden werden.

3. Übersicht der verbreitetsten CPUs

Motorola Dragonball:
Die Mehrheit der heutigen PDAs ist mit dieser CPU ausgestattet. Taktraten bis 33 MHz, zahlreiche Schnittstellen und die Unterstützung der führenden Betriebssysteme (Palm OS, Windows CE , EPOC) sind maßgeblich für den Erfolg dieser Prozessorfamilie. Typische Vertreter: [5]
	Handspring Visor Prism	Palm m500
Intel StrongARM:
Diese CPU erlaubt aufgrund der hohen Taktraten von 133 bzw. 206 MHz Multimediaanwendungen. Immer mehr High-End PDAs werden deshalb mit ihr ausgerüstet. Als Betriebssystem kommt meist Windows CE zum Einsatz. Typischer Vertreter: [6]
	Compaq Ipaq H3760
NEC VR:
Diese CPU ist mit Taktraten bis 180 MHz ebenfalls geeignet für Multimediaanwendungen. Sie wird aber immer mehr von der Intel StrongARM CPU verdrängt, was an der neuen Windows CE Version, genannt Pocket PC 2002, liegt. Diese unterstützt ausschließlich ARM [12] Befehle. Typischer Vertreter: [7]
	Cassiopeia E-115G
Hitachi SH-3:
Diese CPU ist mit Taktraten bis 200 MHz ebenfalls geeignet für Multimediaanwendungen. Sie wird aber immer mehr von der Intel StrongARM CPU verdrängt, was an der neuen Windows CE Version, genannt Pocket PC 2002, liegt. Diese unterstützt ausschließlich ARM [12] Befehle. Typischer Vertreter: [8]
	HP Journada 540

4. Architektur

Eins haben alle CPUs gemeinsam, es sind RISC Prozessoren. Das heißt, sie verfügen über einen kleinen bzw. reduzierten Satz einfacher Befehle, gegenüber CISC CPUs, welche sehr viele und komplexe Befehle auf dem Chip realisiert haben.

Daraus ergeben sich Geschwindigkeitsvorteile bei einfachen Befehlen. Komplexe Instruktionen müssen allerdings in mehrere Einzelschritte zerlegt werden, was den Geschwindigkeitsgewinn wieder schmälert

4.1 Motorola Dragonball – Familie

Aufbau des Motorola Dragonball MX1 [1]

Diese CPU basiert auf der ARM920T – Architektur [12], welche einen Industriestandart darstellt. Der Prozessorkern (ARM9TDMI) ist mit einem 16K Instruction-Cache sowie einem 16K Data-Cache ausgestattet.

Weiterhin sind folgende Funktionen integriert:

- Farb TFT und monochrom LCD Unterstützung

- Multimedia Card Unterstützung

- Sony Memory Stick Unterstützung

- Smartcard Interface

- CMOS Sensor Interface

- Bussysteme: USB, I2C, I2S

- Bluetooth Technik Unterstützung

Für hohe Systemgeschwindigkeit sorgen:

- ein On-chip DMA controller

- On-chip Speicher

- MPEG4 und MP3 Fähigkeiten

Der geringe Stromverbrauch wird erreicht durch das Low-power design , d.h 1.8 V intern und 2,7-3.3 V externe Spannung

Blockdiagramm des Dragonball MX1 [1]

4.2 Intel StrongARM – Familie

Aufbau des Intel StrongARM SA-1110 [2]

Diese CPU ist ein 32 Bit RISC Prozessor und basiert auf der ARM V4 – Architektur [12]. Der Prozessorkern (SA-1) ist eine Lizenz von ARM, und ist mit einem 16K Instruction-Cache sowie einem 8K Data-Cache ausgestattet.

Weiterhin sind folgende Funktionen integriert:

- Farb TFT und monochrom LCD Unterstützung

- Multimedia Card Unterstützung

- PCMCIA Interface

- Bussysteme: USB

- Bluetooth Technik Unterstützung

Für hohe Systemgeschwindigkeit sorgen:

- MMU (Memory Managment Unit)

- Read - Writebuffer

- 100 MHz Speicherbustakt

- bis 206 MHz Prozesortakt

Der geringe Stromverbrauch wird erreicht durch dreistufiges Powermanagment (normal, idle, sleep). Im Normalmodus liegt der Verbrauch, bei 206 MHz Taktfrequenz, bei weniger als 400 mW

Blockdiagramm des StrongARM SA-1110 [2]

4.3 NEC VR – Familie

Aufbau des NEC VR4122 [3]

Diese CPU ist ein 64 Bit RISC Prozessor und basiert auf der MIPS [11] – Architektur. Der Prozessorkern (VR4120) ist eine Lizenz von MIPS [11], und ist mit einem 32K Instruction-Cache sowie einem16K Data-Cache ausgestattet.

Weiterhin sind folgende Funktionen integriert:

- Farb TFT und monochrom LCD Unterstützung

- SDRAM – Interface

- PCI-Bus - Interface

- Infrarot - Interface

Für hohe Systemgeschwindigkeit sorgen:

- MMU (Memory Managment Unit)

- 3-Kanal-DMA Controller

- bis 180 MHz Prozesortakt

Der geringe Stromverbrauch wird durch ein Powermanagment mit 4 Stufen erreicht. Bei 180MHz werden, im Normalmodus, 210mW verbraucht. Die Spannung liegt bei 1.8V intern und 3.3V extern.

Blockdiagramm des NEC VR4122

4.4 Hitachi SH – Familie

Aufbau des Hitachi SH-3 [4]

Diese CPU ist ein 32 Bit RISC Prozessor. Der Prozessorkern (SuperH) von Hitachi., ist mit einem 8K Instruction-Cache sowie einem 8K Data-Cache ausgestattet.

Weiterhin sind folgende Funktionen integriert:

- Farb TFT und monochrom LCD Unterstützung

- SmartCard - Unterstützeung

- SDRAM – Interface

- PCMCIA - Interface

Für hohe Systemgeschwindigkeit sorgen:

- MMU (Memory Managment Unit)

- 5 stufige Befehls-Pipeline

- On-chip-DMA Controller

- bis 133 MHz Prozesortakt

Der geringe Stromverbrauch wird durch ein Powermanagment mit 4 Stufen erreicht. Bei 133MHz werden, im Normalmodus, 370mW verbraucht. Die Spannung liegt bei 1.8V intern und 3.3V extern.

Blockdiagramm des Hitachi SH-3

5. Vergleich

Geschwindigkeit und Stromverbrauch aktueller Geräte [9]

PDA-Prozessoren im Vergleich
Geraet	Prozessor	Taktrate [MHz]	MIPS	Spannung [V]	Verbrauch [mW]	Schnittstellen	Speicher
Handspring Visor und Palm PDAs	Dragonball	16	2.7	3.3 - 5	300	Multimedia Card, Sony Memory Stick, Smartcard, Bluetooth, USB, RS232	SDRAM, SRAM
Cassiopeia E-115G	NEC VR4121	131	175	2.5	380	Infrarot, PCI, RS232	SDRAM, ROM/Flash
HP Jornada 540	Hitachi SH3	133	133	2.0 - 3.3	370	Smardcard, PCMCIA, RS232	SDRAM, ROM/Flash, EPROM/SRAM
Compaq iPaqH3600	StrongARM	206	235	2.0	400	Multimedia Card, PCMCIA, USB, RS232	SDRAM, SROM, Flash, DRAM

Hinweis: der Stromverbrauch stellt den Maximalwert dar.

6. Zukunftsaussichten

Der Trend geh zum Multimedia-fähigen PDA. Als Betriebssystem für diese Geräte gewinnt das neue Betriebssystem Pocket-PC-2002 von Microsoft[10] immer mehr an Bedeutung. Es unterstützt allerdings nur noch ARM – Befehle. Die Vorgängerversion (Windows CE 3x) unterstützte noch MIPS, ARM, SUPER-H – Architekturen.

So rüsten immer mehr Hersteller Ihre neuen Geräte mit diesem Betriebssystem und einer Intel StrongARM CPU aus. Z.B. HP (früher mit Hitachi SH-3 CPUs) verwendet beim neuen HP Jornada 565 Pocket PC [8] den Intel SA-1110 [2]. Auch Casio (früher mit NEC CPUs) führt neue PDAs mit der Intel CPU ein.

Low Power, High Performance - mit diesen Schlagworten charakterisiert Intel [2] den unter dem Namen "XScale" [2] vorgestellten Nachfolger der StrongARM-Prozessoren. Die skalierbare Chip-Mikroarchitektur soll schon bald CPUs für PDAs- und Handys mit einer Taktrate von bis zu 1 GHz hervorbringen - und das bei minimalem Stromverbrauch. Intel fertigt den XScale in einem 0,18-Micron-Prozess. Je nach Belastung soll der Prozessor zwischen 10 Milliwatt und 1,6 Watt bei Taktfrequenzen von bis zu einem Gigahertz verbrauchen. Die XScale-Technologie ist damit nicht nur für mobile Endgeräte, sondern auch für Netzwerk-Produkte wie Router oder Switches geeignet. Intel hat dazu dem XScale die so genannte "Dynamic Voltage Management"-Technologie verpasst. Das Spannungsmanagement erlaubt es, Taktfrequenz und Spannung dynamisch der notwendigen Leistung anzupassen. Mit einer Taktrate von 1 GHz und einer Betriebsspannung von 1,8 Volt schafft XScale bei einem Verbrauch von nur 1,6 Watt 1500 MIPS(Zum Vergleich: Ein 1 GHz Pentium III macht etwa 3200 MIPS und verbrät dabei rund 40 Watt). Werden beispielsweise im PDA nur 200 MIPS benötigt, verbraucht XScale bei einer Betriebsspannung von 0,7 Volt nur noch 50 Milliwatt. Der Core von XScale ist kompatibel zu ARM 5.0. Auf dieser Architektur basiert der aktuelle StrongARM-Prozessor