Фундамент мобильных систем

По функциональным возможностям и производительности современные мобильные компьютеры все более приближаются к своим настольным собратьям. Однако принципы конструирования ноутбуков и десктопов имеют существенные отличия.

Унифицированные объединительные платы, благодаря наличию достаточного числа разъемов, позволяют конструировать решение, опираясь на желаемый набор функций. Внутри одного и того же корпуса может скрываться и компьютер начального уровня, и мощная графическая станция.

С ноутбуками дело обстоит совершенно иначе. Разработчики, скованные жесткими требованиями к весу, габаритам и энергопотреблению, не могут заложить в конструкцию существенные возможности апгрейда. Поэтому модификация компьютера сводится чаще всего лишь к расширению памяти, и пользователь, которого характеристики ноутбука уже не удовлетворяют, вынужден приобретать новую, более производительную и, естественно, более дорогую модель.

Впрочем, мобильные компьютеры одно несомненное достоинство - это возможность транспортировки и, как следствие, работы в любых условиях с привычным инструментом и программно-аппаратным окружением. Кроме того, несколько расширить ограниченные возможности ноутбука позволяют разнообразные PC-card.

Мобильная вычислительная среда

Одним из основных отличий портативных систем от настольных являются жесткие требования к энергопотреблению и, как следствие, к выделению тепла. Перегрев в лучшем случае приводит к дискомфорту пользователя, а в худшем - к выходу из строя компонентов системы. В настольных компьютерах проблема отвода избыточного тепла решается путем установки вентилятора; в корпусе ноутбука для него попросту нет места. Разработчики мобильных компьютеров борются с этой напастью иным способом, реализуя управление энергопотреблением на микропрограммном уровне.

Определить, как будут эволюционировать ноутбуки, можно, проследив за тенденциями развития компонентов, из которых слагаются современные мобильные системы.

Память

Хорошая память нужна не только человеку, мобильные компьютеры нуждаются в ней не меньше. Выбор типов памяти для десктопов (как RAM, так и cache) весьма широк: DRAM, EDO RAM, SDRAM, L2 cache, Burst EDO, - вот лишь небольшая часть того, что может предложить компьютерная промышленность владельцу десктопа. Однако энергии они потребляют будь здоров. L2 cache (в просторечии, кэш второго уровня) плюс основная память - не менее 4 Вт. Кроме того, если в настольном компьютере главнейший девиз "производительность - любой ценой", то подобный максимализм при проектировании подсистемы памяти ноутбука чреват уменьшением времени работы от батарей до некомфортного минимума. Чипы мобильных систем питаются напряжением 3,3 В, стоят существенно дороже и для экономии места чаще всего впаиваются в системную плату. А возможность расширения обычно ограничивается одним-двумя разъемами. Кэш второго уровня дает небольшой выигрыш в производительности, примерно 5%, но энергии потребляет около 10%. Кстати, для продления времени автономной работы целый ряд изготовителей ноутбуков кэш второго уровня не устанавливает.

Сейчас же, с появлением более быстрых, более мощных и потребляющих больше энергии процессоров, проблема правильного выбора памяти стала наиболее актуальной.

Первым шагом в свое время стало появление EDO RAM, которая позволяла передавать данные центральному процессору несколько по другой схеме, чем использовавшаяся ранее память FPM DRAM. Если в FPM DRAM используется чередование состояний 5/3/3/3, то у EDO RAM - 5/2/2/2, что приводит к выигрышу трех тактов ожидания и, соответственно, к повышению производительности. Кстати, это сразу же оценили поставщики ноутбуков и стали устанавливать EDO-память в устаревшие мобильные системы с процессорами до 100 МГц, что позволяло им даже без кэш-памяти второго уровня конкурировать по производительности с комбинацией L2 cache-DRAM. Однако возросшие требования к мобильным системам и быстро растущие аппетиты программного обеспечения привели к тому, что даже 64-разрядная шина между памятью и процессором и добавление кэша второго уровня свели все преимущества комбинации EDO- L2 cache на нет.

В сложившейся ситуации разработка памяти нового типа была неизбежной, и появилась SDRAM. Преимущество синхронного обмена заключалось в отсутствии необходимости считывания адреса следующей порции данных, так как процессор и память работают на той же частоте, и после чтения первого адреса, не переходя в состояние ожидания, сразу считывались последующие три. Скорость доступа к памяти существенно повысилась и составила 15 нc. Однако и SDRAM не была свободна от недостатков: для нее требовалась специальная системная плата, которая должна была обеспечивать синхронизацию обмена между памятью и процессором, иначе общее быстродействие системы существенно снижалось.

Собственно, SDRAM и ее альтернатива BEDO (burst EDO) завершают ряд типов памяти для процессоров не выше P6. А для процессора P7 компанией Rambus Technologies, которая известна своими чипами для игровой приставки Nintendo 64, был разработан новый тип памяти - RDRAM. Опытные образцы RDRAM показали фантастическую скорость обмена данными - 1,6 Гбайт/с, которая в перспективе может достигнуть 2,4 Гбайт/с. Однако в этом случае камнем преткновения становится слишком большое энергопотребление, так что применение RDRAM в ноутбуках под большим вопросом. Другим же принципиально новым решениям до стадии промышленного производства еще ой как далеко.

Процессор

Преимущество корпорации Intel на рынке процессоров для мобильных систем доселе было подавляющим. Лишь одна малоизвестная фирма осмелилась выпустить ноутбук, построенный на процессоре Cyrix. Однако в последнее время компании AMD и Cyrix заметно потеснили Intel, воспользовавшись некоторыми просчетами своего главного конкурента. Слабость Intel в поставке решений для ноутбуков заключалась в дороговизне и высоком энергопотреблении процессоров, изготовленных по устаревшей 0,35-микронной технологии. Ясно сознавая уязвимость своих позиций, Intel предприняла некоторые действия, которые в будущем, возможно, сыграют определяющую роль в развитии процессорных технологий для мобильных компьютеров и в судьбе самой Intel на рынке мобильных систем.

Первым и весьма своевременным шагом стало приобретение компании Chips&Technologies - известного производителя микросхем для обработки графики. Это наверняка ослабит позиции Cyrix, выпускающей процессор Media GX с встроенными средствами обработки графики, и позиции AMD, которая выпустила процессор с поддержкой 3D. Кстати, у Chips&Technologies уже появился новый набор микросхем, пришедший на смену комплекту 65х. К тому же никто не может поручиться, что одновременно с разработкой Merced и Katmai (MMX-2) и выпуском Deschutes (мобильный вариант Pentium II) в лабораториях Intel не создается процессор с интегрированными средствами обработки графики и звука.

Вторым, и отнюдь не бесспорным, шагом стал выпуск Mobile Module (MMO) и TCP (Tape Carrier Package). Неразумно распаивать процессор TCP на материнской плате, лишаясь возможностей апгрейда при нынешних сроках морального старения техники.

Не лучше дело с Mobile Module.

Источник: Intel

С точки зрения апгрейда весьма привлекательно выглядит идея собрать все в единый модуль, с ACPI, 512-килобайтным кэшем второго уровня, чипсетом 430TX, Ultra DMA (33 Мбайт/с). Но вот размер этого модуля 101,6х63,5х10 мм ставит под большой вопрос его применение в популярных сейчас сверхтонких ноутбуках. Посмотрим, каким будет Mobile Module для Deschutes. Тогда и станет ясно, был ли это пробный камень, или MMO ждет безоблачное будущее.

Третьим шагом стал переход к от 0,35- к 0,25-микронным технологическим нормам. Процессор, изготовленный по этой технологии, имеет на 30% большую производительность, ему требуется напряжение питания амплитудой менее 2 В, и, как следствие, существенно снижается энергопотребление (до 42%). Преимущества 0,25-микронных технологий иллюстрирует график:

Источник: Intel

Сколь разительно отличается энергопотребление мобильного и обычного процессора, видно на следующем примере: Pentium 233 MMX для ноутбука потребляет около 4 Вт, а обычный Pentium II 266 - 38 Вт, и ожидается, что энергопотребление Deschutes не превысит 6 Вт. Таким образом, выигрыш от перехода на 0,25-микронные технологии очевиден, однако появление следующей модели мобильного процессора (будь то варианты Katmai, Merced) должно вновь поставить Intel перед необходимостью смены технологий.

Наконец, четвертый шаг. Intel в содружестве с компаниями Toshiba и Microsoft разработала спецификацию Advance Configuration and Power Interface (ACPI). Как известно, кто стандарты разрабатывает, тот и определяет дальнейшее развитие базирующихся на них технологий. Об ACPI расскажем позже, а пока давайте посмотрим, чем могут похвалиться конкуренты Intel.

Cyrix

Компания планирует выпустить мобильные варианты своих процессоров 6x86MMX и MediaGX. Желание изготавливать ноутбуки с процессором MediaGX выразили Samsung и Compaq, причем цены на модели с 200-мегагерцовыми процессорами будут значительно ниже 2 тыс. долларов. Кстати, российский холдинг DVM также намеревается выпустить на базе MediaGX недорогие (около 1 тыс. долларов) ноутбуки.

AMD

Компания тоже будет выпускать мобильный вариант своего процессора K6 с частотами 233, 266 и 300 МГц по 0,25-микронной технологии. Естественно, его цена будет ниже, чем у процессоров Intel. Имена желающих использовать процессоры AMD в ноутбуках держатся в строжайшем секрете, однако в прессу просочились сведения, что возможным покупателем будет компания NEC.

А что же пользователи?

А пользователи ждут. Хотя большинство ведущих производителей уже выпустили ноутбуки с процессором Tillamook и готовы далее радовать потребителей портативными "эквивалентами настольных систем" со следующим процессором Deschutes, менеджеры по информационным технологиям, опрошенные компанией Sherwood Research, особого оптимизма по поводу появления Deschutes не испытывают. 65% опрошенных считают, что производительность Tillamook их вполне устроит. К Deschutes отношение менее восторженное - им довольны только 32% респондентов. Кроме того, 46% опрошенных считают, что использование Tillamook увеличит продолжительность работы с батареями на 20-30 минут, а использование Deschutes может привести к определенным проблемам с энергопотреблением и выделением тепла. Таким образом, производителям компонентов для ноутбуков предстоит добиться снижения энергопотребления.

Батареи и энергопотребление

На эффективность ноутбука влияет множество факторов, наиболее критичным из которых является величина потребления энергии. Технологии, применяемые при изготовлении батареи (или, другими словами, аккумулятора), усовершенствуются весьма медленно, и темпы их развития явно не поспевают за достижениями в разработке электронных компонентов компьютера.

В ранних моделях ноутбуков использовались никель-кадмиевые батареи, которые, будучи прогрессивными для своего времени, тем не менее имели ряд существенных недостатков. Время их работы обычно не превышало одного часа, и учитывая, что средств управления энергопотреблением тогда не существовало, увеличить этот срок было невозможно. Во-вторых, число циклов перезарядки никель-кадмиевых батарей было небольшим. Кроме того, несовершенство технологии требовала перед зарядкой полностью разрядить батарею, да и сама зарядка занимала продолжительное время.

Никель-кадмиевые батареи постепенно были вытеснены более совершенными никель-гидридными (NiMH). NiMH-батарея, которые позволили на 50% удлинить срок автономной работы ноутбука. Именно с их появлением ноутбуки начали восприниматься действительно как мобильные компьютеры. Но полутора часов, конечно, было слишком мало для мобильного пользователя.

Литий-ионные батареи, впервые появившиеся в 1995 году, выглядели многообещающе: они имели существенно большее число циклов перезарядок и обладали большей емкостью, что позволило довести время автономной работы ноутбука до нескольких часов. Однако стоимость литий-ионных батарей вдвое превышала стоимость NiMH-батареи.

В качестве недорогой альтернативы (именно альтернативы, а не замены) некоторыми фирмами была выдвинута никель-гидридная (NiH2) технология. Никель-гидридные батареи представляют собой некий компромисс между ценой и характеристиками. Будучи более дешевыми по сравнению с литий-ионными батареями, они уступают последним по энергоемкости и числу циклов перезарядки. Кроме того, от NiCd они унаследовали самый большой недостаток: необходимость полной разрядки перед повторной зарядкой.

Источник: Toshiba

Но и литий-ионные батареи имеют свои минусы, одним из которых является химическая активность лития, однако попытки заменить его другими металлами пока успехом не увенчались. Подмочили репутацию ионно-литиевым батареям и несколько пожаров, вызванных нарушением технологии перезарядки. Так что в настоящее время разумных альтернатив ионно-литиевым батареям нет, и разработчики сосредоточили усилия на усовершенствовании имеющихся технологий.

В этом отношении весьма показательна и интересна совместная разработка Intel, Microsoft и Toshiba, именованная Advance Configuration and Power Interface (ACPI). ACPI включена в операционные системы Microsoft Windows NT 5.0 и Windows 98. Intel также планирует встроить поддержку ACPI в свои наборы микросхем и материнские платы.

ACPI, являясь частью Operating System Directed Power Management (OSPM), позволяет разработчикам систем встраивать функции управлению и контроля за энергопотреблением, используя стандартные для операционной системы драйверы. ACPI позволяет операционной системе реагировать на события и управлять энергопотреблением всех подсоединенных к системе устройств, переводя их в нужных случаях в состояние пониженного потребления энергии. Подобным же образом система реагирует на действия пользователя. Кроме того, в таблицах ACPI размещается информация о различных состояниях энергопотребления устройств, позволяя управлять энергопотреблением компонентов системы, в том числе и процессора, plug'n'play-устройств, и, что самое существенное, отслеживать температурный режим системы. Это позволяет производителям мобильных систем при проектировании определить критические по тепловыделению компоненты системы и обеспечить их эффективное охлаждение.

Может создаться впечатление, что ACPI лишь чуть более продвинутый вариант APM (Advanced Power Management) и реализован на уровне драйверов. Однако это не совсем так. Отношение ACPI, операционной системы и аппаратной платформы отображено на следующей схеме.

По существу, ACPI выполняет роль некой интеллектуальной прослойки, призванной обеспечить взаимодействие между программами и аппаратурой и контролировать их состояние.

Как видно из схемы, ACPI состоит из таблиц, BIOS и аппаратных регистров.

Таблицы ACPI описывают аппаратные средства определенной платформы. ACPI-интерфейс между операционной системой и аппаратными средствами обеспечивает совместимость используемой платформы с устройствами plug and play и устройствами регулировки энергопотребления.

Регистры ACPI: эта часть ACPI содержит регистры для событий, средств управления, таймера, процессора.

ACPI BIOS: содержит информацию о специфических расширениях оборудования и передает операционной системе информацию об аппаратных средствах.

Ниже приведена информация о том, в каких состояниях энергопотребления может находиться компьютер.

G0-Working (рабочее состояние): в этом состоянии компьютер включен и отвечает на внешние события в режиме реального времени. Система динамически управляет энергопотреблением периферийных устройств. Пользователь может выбирать между максимальной производительностью и минимальным энергопотреблением батареи через интерфейс пользователя.

G1-Sleeping (режим спячки): состояние пониженного потребления энергии. Система вроде бы отключена, но для возврата в рабочее состояние не нужно перезагружать операционную систему. Аппаратные средства потребляют минимум энергии и переходят в активное состояние при наступлении внешнего события, например, телефонного звонка. Текущие значения программного обеспечения сохранены.

G2/S5-Soft off (программное отключение): в этом состоянии энергопотребление еще ниже. Системе требуется продолжительное время, чтобы вернуться в рабочее состояние. Аппаратные средства не сохраняют рабочее состояние системы. Например, если программа загружена, то при переходе в активное состояние ее установки до программного отключения не сохраняются.

G3-Mechanical off (аппаратное отключение): в этом состоянии компьютер не потребляет энергии.

S4-Non-Volatile Sleep (энергонезависимый сон): состояние, при котором текущее состояние системы сохраняется сколь угодно долго (насколько позволит система энергосбережения и сохранения информации). Все настройки системы и текущие события записываются в файл на жестком диске и используются для восстановления исходного состояния. Однако в случае изменения настроек системы (например, изменения объема памяти) исходная информация может быть восстановлена некорректно (см. таблицу).

Однако компьютер не есть единое целое. Каждое из устройств, входящих в состав компьютера, может иметь свое состояние энергопотребления.

D0: устройство включено, потребление энергии максимально, все установки запоминаются.

D1: устройство потребляет энергии меньше, чем в состоянии D0, но больше чем в D2.

D2: устройство потребляет энергии меньше, чем в состоянии D1, но больше чем в D3.

D3: энергия на устройство не поступает. Устройство полностью отключено. Для обращения к нему необходима перезагрузка операционной системы (см. таблицу).

Что необходимо, чтобы компьютер отвечал требованиям ACPI:

• таймер управления энергопотреблением;
  
• кнопка включения и перехода в режим сна;
  
• часы реального времени с сигнализацией перехода в режим пробуждения;
  
• наличие хотя бы одного режима сна (энергосбережения);
  
• система управления прерываниями;
  
• таблица дескрипторов в ПЗУ;
  
• доступный пользователю отказоустойчивый механизм для отключения и перезагрузки компьютера.
  

В случае реализации производителями всех механизмов ACPI компания Intel планирует добиться следующих параметров энергопотребления и тепловыделения.

Экран

Еще одна проблема для производителей мобильных систем. По данным IDC, почти три четверти всех пользователей ноутбуков используют его в качестве основного компьютера. Однако многие жалуются на головную боль, вызванную постоянным напряжением зрения. Это происходит из-за недостаточного размера экрана. С появлением у ноутбуков 14,1-дюймовых экранов, имеющих большую видимую область, чем 15-дюймовые мониторы для настольных компьютеров, эта проблема отошла на второй план, выведя на первое место стоимость и надежность ЖК-дисплеев и качество отображения информации. Если сравнивать ЖК-экраны с мониторами для настольных систем, то сравнение будет отнюдь не в пользу первых.

Хотя TFT-экраны, по существу, стали стандартными в ноутбуках, однако кроме приведенных в таблице минусов они обладают целым букетом недостатков. Прежде всего, дороговизной, обусловленной, конечно, не жадностью производителей, а большой долей брака при изготовлении. Из-за того что каждый пиксел управляется тремя транзисторами, выход из строя одного транзистора приводит к неверному отображению цвета. А этих самых транзисторов требуется, например, для разрешения 1024х768, более двух миллионов, или, если быть точным, - 2359296.

Другой существенный минус - инерционность. Самые быстрые TFT-дисплеи обновляют информацию в два с половиной раза медленнее, нежели обычные электроннолучевые мониторы.

Есть ли альтернативы. Пока нет. Хотя некоторые фирмы (например, Toshiba) пытаются выжать все возможное из двойного сканирования, сделав его "четверным", позволю себе усомниться в целесообразности этих разработок.

LEP (light-emitting polymer) - технологии, которая еще не поставлена на промышленную основу, хотя использование полимеров, таких как poly p-phenylenevinylene (PPV), способных излучать свет под действием электрического поля, способно оказать конкуренцию плоскопанельным мониторам.

Еще одна проблема отображения информации заключается в необходимости использовать специализированные наборы микросхем, хотя хорошо продуманная система энергопотребления позволяет задействовать в ноутбуке графические компоненты, дотоле применимые в настольных системах (использование компанией Toshiba набора S3 Virge в старших моделях ноутбуков Tecra).

Шина

Одна из многообещающих на сегодняшний день шин - CardBus, высокоскоростная 32-разрядная шина для PC-карт, была стандартизирована PCMCIA (The Personal Computer Memory Card International Association ) в мае 1996 года. Она была задумана как решение, позволяющее увеличить пропускную способность для технологии PC-карт до уровня PCI. Особый интерес представляют механизмы встраивания дополнительных устройств (add-in device) и взаимодействие с другими шинами, такими как:

• Universal Serial Bus (USB) - высокоскоростная последовательная шина IEEE 1394 (иногда упоминаемая как 1394);
  
• PCI с "горячей" заменой;
  
• PCI с миниатюрными конструктивными характеристиками (форм-фактором);
  
• Zoomed Video;
  
• 16-битная технология PC-сard.
  

На сегодняшний день позиции CardBus достаточно прочны и позволяют использовать ее для дальнейшего развития технологий. Среди преимуществ шины CardBus следует выделить такие важные для мобильных компьютеров характеристики, как:

• унификация разъемов для встраивания PC-карт;
  
• возможность "горячей" замены карты;
  
• управление энергопотреблением;
  
• архитектурно унифицированное оборудование и программное обеспечение.
  

Тенденции изменения архитектуры мобильных систем

В настоящее время прослеживается тенденция отхода мобильных систем от архитектурных принципов, на которых базируются настольные компьютеры (по крайней мере, на уровне опытных образцов и различного рода программных документов). Если сравнивать две архитектуры, десктоп-ориентированную и мобильно-ориентированную, различия на первый взгляд кажутся не столь заметными и требуют пояснения.

Источник: PCMCMIA

Необходимые пояснения к рисунку и сокращениям:

Традиционные компьютеры, построенные на шине PCI, организованы вокруг двух мостов: "северного", который связывает CPU и кэш-память с основной памятью и уровнем 0 шины PCI. Другой мост - "южный", который обеспечивает связь периферии с шиной PCI (может включать и соединение PCI-ISA). Северный мост состоит главным образом из быстродействующих каналов данных, в то время как южный мост в значительной степени представляет собой собрание периферийных устройств (например, таймеров, контроллеров DMA и т. д.).

В будущем даже высокой производительности PCI шины будет недостаточно, чтобы поддержать потребности быстродействующих подсистем. Таким образом, главные управляющие блоки компьютера могут соединяться через одну или большее число связей с более высокой скоростью, и PCI может служить в качестве вторичной шины, подсоединенной к одному из блоков системы.

Все ноутбуки, разрабатываемые сегодня, имеют PCI-архитектуру. ISA, доминирующая архитектура 1980-х, сдает свои позиции.

Приведенные ниже таблицы дают представление о перспективах различных шин при использовании их в мобильных компьютерах. На мой субъективный взгляд, меньше всего шансов выжить имеет шина USB. Уж слишком чужеродно она смотрится на фоне остальных. Хотя, возможно, в настольных компьютерах пользоваться ею будут столь же долго, как шиной ISA или флоппи-дисководом, которым давно пора на полку.

Соотношение некоторых характеристик PCI и CardBus

Источник: PCMCMIA

Источник: PCMCMIA

Указывающие устройства

Очень ненадежный камень в фундаменте мобильных технологий. Pointer Matters Forum провел исследование характеристик указывающих устройств. В результате обработки результатов была получена нижеприведенная таблица, которая наводит на печальную мысль, что развитие указок идет не в том направлении, куда им следовало бы идти для повышения эффективности взаимодействия человека и компьютера.

Стоимость

Под стоимостью будем понимать не цену самого ноутбука, а совокупную стоимость владения - то, что сейчас называется TCO. Так вот, по данным Gartner Group, стоимость владения ноутбуком на 36% превышает TCO для настольного компьютера. Кроме того, рекомендованный срок ROI для мобильных компьютеров составляет, по данным "CIO Magazine", около 100 недель. Учитывая малые сроки морального старения компьютерной техники, с экономической точки зрения ноутбучные позиции выглядят менее предпочтительно, чем у настольных систем. С выходом ZAK от Microsoft TCO может быть существенно снижена (с 6 тыс. долларов в год за Indirect Cost до 4 тысяч). Однако это относится к настольным компьютерам, которые соответствуют спецификации PC 97 поддерживают DMI и ACPI Кстати, стоимость самой техники в общей сумме TCO составляет около 23%. Так что не в цене счастье. Смогут производители ноутбуков ликвидировать разницу в эти самые 36% - покупать ноутбуков будут больше. Но говорить об этом преждевременно. Ноутбучные технологии пока блуждают в потемках, и попытки выйти на правильный путь развития похожи на поиски выключателя в темной комнате, когда, тыкая пальцем наугад, надеешься не попасть им в розетку.