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标题: NOKIA主流手机的CPU解析 [打印本页]

作者: Swimyz 时间: 2009-3-3 22:55
标题: NOKIA主流手机的CPU解析
OMAP1710：诺基亚6630、6681、E61、N70、N72、N73、N80、N90、N91等

称TI公司的OMAP1710是我们“最熟悉的陌生人”一点也不为过。虽然早在2004年底诺基亚推出其第一款可以工作在WCDMA网络环境当中的Series60平台智能手机——6630时，我们就已经和它直接发生了“亲密接触”，但却很少有人知道里面的那颗被SPMark04识别为ARM5 220MHz的CPU其实是TI公司的杰作——OMAP1710。而随着诺基亚产品线的不断壮大，OMAP1710也一同走过了无数个春秋。时至今日，诺基亚旗下采用这颗处理器的手机包括：6630、6680、6681、E50、E60、E61、E70、N70、N71(资料文章价格评论)、N72、N73、N80、N90、N91和N92共15款，因此再赋予它一个“诺基亚眼中的大红人”称号也一点不夸张。

OMAP1710是TI公司第一款制程只有0.09微米的处理器，不过它依旧采用了Low-voltage低电压技术，289个触点，面积为12×12平方毫米，并采用常见的m-BGA封装方式。制程的减小也就意味着工作电压的下降，OMAP1710已经可以在1.05—1.3V之间动态调整，而普通待机状态下的耗电量仅为10mAh，可谓节能高手。

OMAP1710当中包含的程序处理器型号依旧为ARM926，不过它的最大工作频率可以达到220MHz，而且绝大部分的诺基亚S60智能手机也都将频率锁定在了这个标准上。与此同时，ARM926的一级缓存已经提升为32KB，达到了原来的2倍，依旧支持JAVA硬件加速，因此TI宣称OMAP1710比前一代处理器又有了40%提升。

而作为TI公司TCS wireless chipsets通讯解决方案当中一个重要的可选处理器，OMAP1710能使手机顺利工作在GSM、
GPRS、EDGE和UMTS这2G、2.5G、2.75G和3G共四种网络环境中，并且兼容目前全系列的智能手机操作系统，如：Linux、Windows Mobile、Nucleus、Palm和Symbian。此外，由于OMAP1710还支持IEEE 802.11a/b/g协议，因此WLAN无线上网功能也成为了家常便饭。而具备了上述这么多高级功能的OMAP1710，又怎能不受到诺基亚的青睐呢？

OMAP2420: 诺基亚N95、6120C

在最近的CTIA 无线资讯科技暨娱乐展上，众多公司展出的主题惊人一致：语音、数据应用、音乐和视频，而且全都通过无线方式实现。这让我在坐下来撰写这篇关于德州仪器(TI)的Omap2420应用处理器评论时，稍感轻松，因为这个共同的主题恰好总结了TI在该领域对自己的定位。

Omap2420适合基于Linux、Windows和Symbian操作系统(OS)的高端手机应用。它是Omap 2系列产品中的第一款，而Omap2系列最终将会转向“调制解调和应用处理器”的混合领域。或许这款芯片最吸引人的地方就是多处理器内核，它包含了330MHz的ARM 11 RISC、220 MHz的TI C55 DSP、内含ARM7的成像和视频处理器，以及支持166 MHz移动DDR SDRAM的Imagination TECHNOLOGIES公司3-D图形处理器。该芯片还集成了显示和相机控制器、SDRAM和闪存控制器，并附加了60多个外围控制器。Omap 2420能够为高端多媒体应用提供强大支持，这些应用包括30fps通用中间格式(CIF)的视频会议、30fps的VGA编解码、VGA和TV显示，以及300万像素以上的相机。使用该芯片的手机设计已经进行了一段时间，估计马上就会投放市场。

2420与TI前几代Omap应用处理器最大的不同，就是设计工艺由130nm缩减为90nm。另外，2420使用的ARM内核性能也有所提高：之前的Omap芯片最高只能支持220MHz，而2420则将速度提高到了330MHz。2420的高速缓存容量和存储器总带宽都有所增加，此外TI还用ARM11 RISC取代了ARM9。

Omap2420的3-D图形性能提高了40到50倍，视频性能也提高了一个数量级。而且通过并行处理，其多任务处理能力更为强大。

F1: TI的多内核应用处理器采用90nm工艺，时钟频率由220MHz提升到330MHz。

2420是一款多内核设计的芯片，TI早已明确表示，今后将根据应用需求支持尽可能多的内核。这样看来，并行处理或多内核处理已经成为TI未来在手机应用领域的发展方向。

2420独特的版图层容纳了TI的多引擎处理和电源管理功能。在这里，TI转向了一种名为开放内核协议(OCP)的标准化互连方法，OCP属于一个独立的非营利标准组织OCP-IP。

OCP方便了内核复用，而且使内核能够独立于集成子系统。OCP还实现了一组可用于整个芯片的定时规则，以及单独的验证工具组。如果设计过程中有需要，它还允许IP模块在系统内四处移动，这就使系统分析和芯片调试变得更加简单和直接。

Omap2420的电源管理技术允许各处理器针对不同应用分别进行功耗优化。在裸片级，TI将多个电源域组合在一起，每个域都能关断电源至零漏电，从而极大地延长了电池寿命。Omap2420中采用的许多电源管理技术都是TI新型SmartReflex技术中的一部分。

在晶体管和软件级，TI尤其关注如何适应零漏电水平。通过使用预置在裸片上的多个电源开关，该架构能够对不同的域单独断电，从而帮助TI获得需要的间隔尺度(granularity)。此外，芯片中还包含特殊的嵌入式“diode-footed SRAM”开关，用于减小嵌入式存储器的功耗。

于终端用户对功率的需求各有不同，所以TI实现了软件可编程功率模式，可以根据不同应用对电压和频率进行调整。例如，通过定义“关断”模式进入最低功耗状态。

目前，SEMICONDUCTOR Insights(SI)公司正在对Omap2420进行分析。我们已经确定了TI的双路(two-pass)电源开关控制电路，正在分析该控制电路在自动布线电路中对整个电源管理系统的影响。通过对裸片进行分析，SI还揭示了ARM内核、DSP内核以及图形加速器的具体位置。曾经产生怀疑的存储控制器、TMS320C55x DSP、电源管理模块以及成像视频加速器(IVA)的位置也都得到了确认。

2420中包含5种存储器类型，所有嵌入式存储器加起来大概占据了裸片面积的1/4，而Omap1710内4种不同存储器类型大约占裸片的17％。但是，Omap2420的裸片尺寸大概是Omap1710的1.9倍，看来获得更高的集成度需要在裸片面积上做一些牺牲。

从软件角度来看，TI让代码从两方面管理电源状态：首先，通过监控工作负荷，软件知道何种应用正在使用；其次，软件收集统计信息来确定工作量情况。这就使芯片能够根据实际使用模式进行基于预测的电源管理。

TI正努力使Omap的工艺向65nm转移，在此过程中产生的一些额外工艺问题影响了芯片的漏电。我们都知道，TI拥有多项90nm工艺技术：有些采用高漏电晶体管，有些采用低漏电晶体管；因此可以推断，TI在65nm工艺上会继续延续这一战略。此外，TI也会能在系统级对额外漏电进行补偿，所以我们期待TI为解决65nm漏电问题提出一些独特的电路实现方法。

位于电源管理设计外围的TWL92230是一款辅助的电源管理器件。它采用250nm模拟BiCMOS工艺设计，能够提供一些特殊功能，例如板上电压调节和DC/DC转换，用来补充2420的功能。

事实上，TWL92230专为与2420配套使用而设计，它包含了一些适用于最新Omap的特殊保护机制，例如裸片发热测温计及过热断电保护。其中过热断电保护允许TWL92230关断其DC/DC转换器，然后向2420发送一个中断信号。由于手持式设备的外形在不断缩小，类似的功能就十分重要。

TWL92230的使用还取代了许多外围芯片以及单芯片中的离散元件。

在推出2420的整个过程中TI克服了无数困难。据TI的相关人士透露，在获得最终设计审判前，版图的复杂性是2420最大的挑战。但2040最终从艰难中走出，并使用了标准工具的最新测试版进行验证。

存储器部分

TI支持在Omap2040上进行封装叠加(PoP)式存储器堆叠。PoP是指直接将一个封装置于另一个封装之上，二者的封装材料直接相连。然而这样的存储器堆叠会产生一些问题。由于漏电流会产生热量，因此在Omap2420上放置另一块芯片会增加整个系统的发热量。

这里就轮到SmartReflex技术大显身手。为了保证兼容性和稳定性，TI分别以POP和标准裸片堆叠方式，对各存储器厂商推出的适合SRAM或移动DDR器件与Omap2420的耦合情况进行了仿真。

从TI的角度来说，PoP是一种商业模式。因为PoP促使客户与存储器厂商进行谈判，这样TI就不必局限于支持某一种特定的存储器。

三星最新的NAND闪存器件引发了一个问题：能够堆叠接触的存储器总量是否有限。因为NAND闪存和NOR闪存似乎都很盛行，所以有人可能会疑惑，用户到底会采用哪种存储器配置呢？其实这里不必担心，因为TI支持各种闪存配置和类型，包括高达1GB的NAND或NOR，以及高达1GB的移动DDR。即使NAND在高端手机的大容量存储应用中更受欢迎，TI仍将NOR视为其很好的竞争者。

总而言之，TI一直在非常努力地推动利用Omap2420进行设计的范围，来满足一些比较“疯狂”的应用。例如在运行高质量音频应用的同时运行高质量的3-D游戏，还要用OMAP2420来控制一台标准电视进行全屏游戏。按TI的说法，这样的应用将会变得非常普遍。同时，TI还宣称OMAP2420能够在两台显示器上同时运行图形和视频处理，并且能利用同一套存储器件，在一个高级操作系统上并行运行音频、视频和3-D游戏。

虽然Omap2420来势凶猛，但在这个领域它并非没有竞争对手。BROADCOM今年就推出了其BCM2705多媒体处理器，而NVIDIA和ATI科技也在继续设计同类产品与TI竞争。此外，高通也仍然关注如何将高端多媒体功能和基带功能相整合。

但是TI凭借Omap 2420，已经将芯片的整体集成度和功能性又向前推进了一步。希望2420能够帮助TI继续保持其在应用处理器领域的领先地位。

Omap2420将首先用于高端手机，并随市场发展向低端手机渗透。

OMAP2420 处理器是一个单芯片应用处理器，支持所有的移动电话标准，并兼容任何调制解调器或芯片组和任何空中接口。该产品供高产量无线手持终端制造商使用，不通过经销商销售。

OMAP2420 具有 OMAP 2 架构并行处理的优点，使用户在立即运行应用程序和同时使用多个功能的同时，保证服务质量不会下降。OMAP2420 包括一个集成 ARM1136 处理器 (330MHz)、一个 TI TMS320C55x? DSP (220MHz)、2D/3D 图形加速器、图像和视频加速器、高性能系统互联以及行业标准外设。

OMAP2420 的多媒体功能有所增强，包括为获得更高分辨率的静态捕获应用而增加的图像和视频加速器、数百万像素的摄像头和全动态视频编码及解码（VGA 分辨率为每秒 30 帧）。增加的 TV 视频输出功能支持与电视显示屏的连接，以便显示从手持终端捕获的图像和视频。5Mb 内置 SRAM 同样提高了流媒体性能。

通过访问 OMAP 开发者网络，用户还能获得大量程序和媒体组件，制造商可以使用它们来使其产品差异化并加快产品上市时间。

主要特性：

专用的 2D/3D 图形加速器，每秒 2 百万个多边形

增加的图像和视频加速器实现了高分辨率的静态图像捕获、超大屏幕和高视频帧速率

支持高端特性，包括 4 百万以上像素摄像头、VGA 质量视频、高端交互式游戏功能和模拟/数字 TV 视频输出

5Mb 内置 SRAM 增强了流媒体性能

与先前的 OMAP? 处理器软件兼容

并行处理保证在同时运行多个应用程序时，服务不会中断、质量不会下降

优化的电源管理配套芯片 TWL92230
12mm x 12mm，325 焊球 MicroStar BGA?，0.5mm 间距

OMAP1710 & OMAP2420

6600等机的CPU由于过于古老,在此不讨论

从6630开始使用,在现在N73 N70 N72 N71等机用的是ARM9架构的德州仪器OMAP1710 CPU,频率220MHz,以下称为方案一

N93 N93i N95 E90等强机使用的是ARM11架构 OMAP2420,频率330MHz,以下称为方案二

N76 6610N 5700 6120C 6290等新出的NOKIA机子,使用ARM11架构 Freescale MXC300-30,称为方案三

N93 N93i N95 E90等机不是一般能承受得起,在本文,重点讨论方案一和方案三

在NOKIA的网站上,我们可以了解到方案一的CPU信息是
Dual CPU
CPU Type: ARM 9
CPU Clock Rate: 220 MHz
而方案三是
Single CPU
CPU Type: ARM 11
CPU Clock Rate: 369 MHz
关于这两个CPU的争论相当多,尤其是最近N76 5700等新机的速度相当快,得益于高CPU频率,但看了CPU信息后,大家都会产生疑问:
方案一是Dual CPU,方案三是Single CPU,从字面理解就是方案一是双核,方案三是单核,刚公布此消息时,不知其中道理的网友甚至还抱怨怎么换成单核的呢?本来已经够慢了,以后还要更慢?
在官方得到了解释(在GOOGLE找到,由于是E文,这里我给大家大概讲下意思)
The"dual-CPU" in the case of N71 means that there‘s one applicationprocessor engine running Symbian/S60 and another one, the basebandprocessor engine (cellular modem)
running the cellular software.In addition there might be various DSPs (Digital Signal Processors). Itis not "dual-CPU" like in the case of, e.g., Intel‘s dual-core CPU forPCs.
N71(等机子)里的dual-CPU意思是有一个处理单元运行Symbian/S60而另外一个是基础应用单元运行电话功能,其实就是说那是个DSP(数字处理芯片),不是像Intel那种给电脑用的双核CPU。
这不像电脑上的双核和单核的关系,OMAP1710CPU,有一个核心运行在220MHz,用于处理手机的用户界面,多媒体应用,JAVA等等之类的应用(这里相当于电脑的CPU的功能),另外一个核心用于处理网络数据(也就是电话功能,打电话,发短信之内的,上网/3G也应该包括,但肯定不处理WIFI数据)。
也就是说,OMAP1710是3G时代NOKIA采用的CPU,用此CPU的必有3G版本,以前的旧CPU机是没有3G的。
这样的好处是无论你运行多大的软件,占用了多少CPU资源,都不会影响到接电话这样的手机最基本功能。
再来看看 Freescale MXC300-30,方案三,从卖ARM芯片的网站上找到的介绍。

   MXC300-30:3G手机用单核调制解调器处理器,能提供完整UTMS平台的,包括组合了基带和应用处理器,RF,功率放大器和功率管理,高达250MHz StarCore SC140 DSP,高达532MHz的ARM11应用处理器,

四波段GSM850/900/1800/1900MHz,WCDMA三波段850/1900/2100MHz,UTMS数据速率: DL384Kbps,UL384Kbps,HSDPA 为1.8Mbps(DL),GSM EDGE无线电接入网络(GERAN)数据速率(最大): DL236Kbps,UL 118Kbps,GPRS/EGPRS(EDGE)时隙,高达Class12(4d/4u),最适合的开放式操作系统如Linux和Symbian,不需要增加任何的处理器或加速器,用于GMSK的单天线干扰消除,集成了图像处理单元(IPU)视频加速器,无线连接特性包括支持A-GPS接口,蓝牙接口,以及支持无线LAN 802.11a/b/g接口和DVB-H接口,处理器可用在各种手持设备如MP3播放器,手持DVD播放器或数码相机成为全功能的智能移动蜂窝设备
由此可以看出,FreescaleMXC300-30是一个物美价廉的好U,一个CPU解决大部分问题,且频率高,价格便宜而且相当的省电,比OMAP1710省电得多.而且是相当的多(在另外一份介绍中讲到),这就可以解释为什么N76在369MHz的频率700mA/h在电池下能够正常使用差不多2天,追得上拥有1100mA/h的电池CPU频率只为220MHz的N73.NOKIA用此CPU的目的就是为了降低成本

看上去MXC300-30一切都美好
但事实上呢?
很多人说MXC300-30性能不高,只是跟OMAP1710差不多,又说它单核比不过双核(这个问题前面已经说了,根本不是这样),反正就很多批判的话语.但是,从测试数据来看,N76,5700等机的性能全面超越N73,有些项目超了一倍(具体请看太平洋的评测)因此,单从性能来说,方案三的性能远超方案一毫无悬念
不过不排除N76,5700等机型用的Symbian 9.2 FP1系统做的优化,但是从测试数据上分析,即使N73搭载Symbian 9.2 FP1,性能与N76还是会有差距
那究竟方案三有什么不好呢?
这个问题也困扰了我好久,终于在一个小论坛看到了一个用户对N76的抱怨,让我茅塞顿开
那个人说:N76好快啊,但是播放MP4视频时很卡,在N73上都不卡,3GP没有此问题
大家再看看这张图,对比用方案三的6290和方案一的N73

大家可以看出6290是缺少AAC的硬支持的，因此可以知道MXC300-30这个CPU是没有AAC的硬解码的,要播放AAC,就要用到CPU去解码,消耗CPU资源,而N73是不需要的!(硬解码的好处是芯片内直接内置解码器,而不需要CPU去解码,就像现在的显卡硬解HDTV一样,CPU资源消耗奇低)
结合论坛上的教程,很多论坛教大家压缩MP4时都推荐用AAC音频编码,而3GP则多数不用AAC
因此结论很明显:用AAC作为音频编码的MP4格式在N76上，消耗过多CPU资源,导致播放不流畅!
这样思路就很清晰了,MXC300-30是频率制胜,少了增加成本的很多解码器,少了专用于电话功能的DSP,因此能在低成本下实现高速度
而OMAP1710更注重应用,多媒体等方面,为了成本,NOKIA在中端机中使用220MHz频率.事实上可以证明,OMAP1710的通话质量,网络质量,音乐播放效果上是比MXC300-30要好,而MXC300-30在性能上远超OMAP1710,而且更加省电
不过让MXC300-30的机拥有好音质也不是没有办法,像5700内置一个专用音乐DSP处理音频(我认为是wolfson的),音质会很好因此音质的比较是5700>N73>N76,扩展一下就是有专用音乐芯片>OMAP1710>MXC300-30

在总结之前,这里多说两句：

1.很多人去测N76,5700的CPU频率时,有的人测到369,有的人测到420多,其实MXC300-30这个CPU是可以变频的,当初发布时就已经说了此CPU在工艺上的进展能使它的频率达到1GHz(现在当然不可能啦),更深入的现在无法了解,反正大家先知道MXC300-30是可以变频的
2.还有大家如果看了评测,可以发现N76在拥有40多M运行内存的情况下性能比只有10多M内存的5700高不了多少(在以前内存增大对S60机的效果是很明显的),这又是为什么呢?
在NOKIA那里,我们找到了答案
(E61用OMAP1710,E62用未知的CPU,虽然不是MXC300-30,但是从数据上看跟MXC300-30相当类似,应该也是Freescale的产品,而且XIP(以下讲到)的好处显而易见,MXC300-30应该也有XIP,虽然现在没有直接证据)
In the Nokia E61 the applications must be loaded tothe RAM for execution, whereas in the Nokia E62 they can be directlyexecuted from their permanent locetion in Flash memory. Also the memorytypes are different between the two. So even though the Nokia E61 andthe Nokia E62 look the same, the internal HW is different, whichaffects the performance and characteristics.
Nokia E62 (and Nokia E50): Single chip design /ARM9 235Mhz / 32MB SDRAM / 32 NOR + 128 NAND Flash / with XIP (eXecuteIn Place) support (execution from Flash)
Nokia E61 (and Nokia E60, Nokia E70): Dual chip design (with separate chip for cellular modem)
Details of the application side chip: ARM9 220Mhz / 64 DDR SDRAM / 128 NAND Flash / without XIP (must be loaded to RAM)
以上内容总结一下,就是E62有XIP,而OMAP1710没有XIP,XIP的用途就是让CPU能够直接从储存卡中读取数据,而不用将数据先复制到运行内存,再由CPU处理,因此OMAP1710对内存依赖大,经常可以听到有人说N73会提示内存不足,而新CPU的机型还没有人说试过内存不足
结合N76跟5700的性能差距不大的事实,我们有理由相信MXC300-30是有XIP的,因此N76的大内存主要目的应该是能同时运行更多的程序
3.在MXC300-30的介绍文章中提到,MXC300-30最多能支持200象素的摄像头,这就可以理解为什么6290,N76,6110N,5700,6120C等机都是200象素的摄像头而不是更高了,当然,你说加个什么东西能够让它支持更高象素我不敢肯定,但是这样就不太符合NOKIA采用MXC300-30的初衷(降低成本)

  总结:
方案一优点在于多媒体能力强,对于手机的基本功能:电话功能做得更好,虽然是dualcore,但是实际用起来就是单核,跟方案三一样,能够支持高象素得摄像头,基本除了慢没什么缺点.方案三优点在于速度快,相当的快,成本低,省电(很省电),缺点就是多媒体能力差,不能支持高象素摄像头。

PS:N95等机型所用的OMAP2420跟OMAP1710是一个系列的,除了以下几点都跟OMAP1710差不多,好处相当明显
1.频率为330MHz,很快,但是没有MXC300-30快,也不能变频,不知道有没有XIP
2.内置3D加速器,在JAVA 3D的测试中能拿到900多分,N76只拿到200多,N73只有100多,因此N76虽然2D性能比N95好,但是3D性能差一大截,就在于这个,而且支持OpenGL特效(天啊)
3.支持更高的分辨率,更高的摄像头象素(还没有体现)
4.等等之类的
因此我估计,以后NOKIA高端机会继续用OMAP2420甚至以后更高的型号,中低端则用MXC300-30,这样S60在全面迈进Symbian 9.2 FP1后就全部都变快了,S60开始进入黄金时期

另外，最新发布的N81也是用方案三的，因为NOKIA要把N-Gage推广到全N系列(包括以前),用方案二很难推广,而且方案二成本高,部部都4000多以上

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