Processori: da Nokia 5800 XM a N97, pensieri, parole, emozioni

L’architettura ARM (da Advanced RISC Machine ltd. e prima Acorn RISC Machine ltd., le storiche compagnie di sviluppo) si riferisce ad una famiglia di microprocessori RISC a 32 bit sviluppati dalla ARM Ltd. (Limited) e che dato l’ottimo rapporto prestazioni-consumo, trova largo utilizzo nel settore mobile.

Il chipset è l’insieme di circuiti che raccoglie il processore e altri elementi.

La Nokia non costruisce da sola il chipset per i suoi dispositivi, ma dopo aver lasciato la Texas Instruments ai tempi dell’N95 (su cui era presente un TI OMAP2420), sembra affidarsi ad ora alla Freescale (fonte). Su Nokia N78, N79, N81, N85, dovremmo avere un Freescale MXC300-30, così come su 5800 XpressMusic.

L’MXC300-30 combina:

- uno StarCore SC 140e Digital Signal Processor operante fino a 250 Mhz e che si occupa dei protocolli di segnale 2.5G, 2.75G e 3G e anche GSM, GPRS, EDGE class 12 e WCDMA. Questo vuol dire risparmio in termini energetici e maggiore durata della batteria poiché, per la funzione base di telefono cellulare, il dispositivo “lavora” con un singolo piccolo processore, mentre viene chiamato in causa il più prestante processore ARM solo per le applicazioni.

- un ARM 1136 processor core operante fino a 536 Mhz (velocità di clock) per le applicazioni. Architettura ARMv6, e capacità di calcolo pari a 660 Dhrystone 2.1 MIPS (milioni di istruzioni per secondo) in 0.13µ processi (velocità di esecuzione istruzioni).

- un’unità di processazione immagini (IPU) acceleratore video, per l’interfaccia camera e display e gli effetti grafici.

Le caratteristiche del processore ARM 1136 sono:

• Powerful ARMv6 instruction set architecture
o ARM Thumb instruction set reduces memory bandwidth and size requirements by up to 35%
o ARM Jazelle technology for efficient embedded Java execution
o ARM DSP extensions
o SIMD (Single Instruction Multiple Data) media processing extensions deliver up to 2x performance for video processing
• Energy-saving power-down modes
o Reduce static leakage currents when processor is not in use
• CoreSight™ technology
o A framework for complete system debug and trace
o Consists of the CoreSight ETM11 embedded trace macrocell and many other CoreSight components
• High performance integer processor
o 8-stage integer pipeline delivers high clock frequency
o Separate load-store and arithmetic pipelines
o Branch Prediction and Return Stack
o Up to 660 Dhrystone 2.1 MIPS in 0.13µ process
• High performance memory system
o Supports 4-64k cache sizes
o Optional tightly coupled memories with DMA for multi-media applications
o Multi-ported AMBA 2.0 AHB bus interface speeds instruction and data access
o ARMv6 memory system architecture accelerates OS context-switch
• Vectored interrupt interface and low-interrupt-latency mode speeds interrupt response and real-time performance
• Optional Vector Floating Point coprocessor (ARM1136JF-S)
o Powerful acceleration for embedded 3D-graphics
• ARM-EDA Reference Methodology deliverables significantly reduce the time to generate a specific technology implementation of the core and to generate industry standard views and models.

Le caratteristiche della piattaforma MXC300-30:

StarCore™ SC140e DSP up to 250 MHz
• ARM11™ applications processor up
to 532 MHz
• Quad-band GSM 850/900/1800/1900 MHz
• WCDMA tri-band 850/1900/2100 MHz
• Universal Mobile Telecommunications
System (UMTS) data rates (max)—
download 384 Kbps, upload 384 Kbps
• HSDPA 1.8 Mbps (download)
• GSM EDGE Radio Access Network
(GERAN) data rates (max)—download 236
Kbps, upload 118 Kbps
• GPRS/EGPRS (EDGE) slot up to class
12 (4d/4u)
• Supports Dynamic Synchronous Transfer
Mode (DTM) class 5–11
• DigRF interface support
• AMR-NB, HR, FR and EFR vocoders
• Hardware with f8/f9, A5/1–4 and GEA1–4
cipher algorithms
• Optimized for open operating systems such
as Linux and Symbian without the addition
of any processor or accelerator
• Compressed and non-compressed mode
• Single antenna interference cancellation for
Gaussian minimum shift keying (GMSK)
• Secure boot
• Run-time integrity checker (RTIC)
• Videoconferencing and MPEG-4
CIF encoder
• Integrated imaging processing unit (IPU)
video accelerator:
Camera and display interfaces
Rotation, scaling, pre/post-processing
• Wireless connectivity features
A-GPS (network assisted)
interface support
Bluetooth™ interface support
Wireless local area network (WLAN)
802.11a/b/g interface support
Key Multimedia Features
• Video playback
MPEG-4/H.263 CIF 30 fps, 384 Kbps
H.264 Decode, CIF 30 fps, 384 Kbps
WMV9 Decode, QCIF 30 fps, 384 Kbps
• Video capture
MPEG-4 Encode CIF 30 fps, 384 Kbps
H.264 Encode QCIF 15 fps, 128 Kbps
• Videoconferencing
H.323/324 CIF 30 fps
• Audio codecs
eAAC+, AMR-NB, AMR-WB, AAC, AAC+,
MP3 and MIDI
• Other capabilities
Push to talk
See what I see

La velocità di clock su 5800 XpressMusic è stata fissata a 369 MHZ, secondo le cartteristiche prodotto, tuttavia giannib.90 su ICTportal ci pone di fronte ad un’interessante esperienza che potrebbe rivelare sorprese:

Praticamente ci dice che nell’effettuare un test di bench sulla CPU del proprio 5800 con l’applicazione Jbenchmark ACE, gli è risultata una CPU ARM11 a 427 Mhz. Sarà stato un altro dei miglioramenti apportati con l’aggiornamento firmware? Non sarebbe un caso isolato, in quanto lo stesso gianni.b 90 ci riporta che su N95 8GB invece N95 8gb si passò da 332 Mhz a 300Mhz x risparmiare la batteria, ma in conpenso migliorarono la gestione della RAM per non far notare un calo di prestazione. I risultati della prova in un confronto con N95 8GB e N82:

1 test
Nokia N95-8gb con 16k numeri: 4 secondi
Nokia N82 con 16k numeri: 4 secondi
Nokia 5800 con 16 k numeri: 1 secondo
2 test
Nokia N95-8gb con 32k numeri: 8 secondi
Nokia N82 con 32k numeri: 8 secondi
Nokia 5800 con 32 k numeri: 1 secondo
3 test
Nokia N95-8gb con 64k numeri: 15 secondi
Nokia N82 con 64k numeri: 16 secondi
Nokia 5800 con 64k numeri: 3 secondi
4 test dove si va sul pesante:
Nokia N95-8gb con 512k numeri : 126 sec
Nokia N82 con 512k numeri: 127 secondi
Nokia 5800 con 512k numeri: 26 secondi
5 test multi-thread
Nokia N95-8gb con 2M numeri :521 sec
Nokia N82 con 2M numeri: 595 sec
Nokia 5800 con 2M numeri: 119 secondi

Conclude giannib.90 “L’indubbia potenza della Cpu è evidente, ma la carenza si nota nella mancanza dell’acceleratore grafico dove l’N-series fa sentire il suo peso nei giochi avanzati”. Grazie giannib.

Ma ICTportal non è nuova a questi test e vale riportare anche una prova di bench effettuata su N95 8GB, e N85, N96 e E90 Comunicator a confronto, utile ai fini della comprensione del post.

Una prova di bench, consiste nel mettere in prova il processore a vari livelli di “lavoro” con un’applicazione associata ai numeri di Fibonacci (1K= 1024 numeri di fibonacci, 1M= 1000 K)

Ecco i risultati del test:

N95 8gb – Velocità di trasmissione dati, elaborazione dati, elaborazione 3D
RMS Size: 2097131 Kb
RMS Write Speed= 39 Kb/s
RMS Read Speed= 59 Kb/s
16k : 5 sec
32k : 8 sec
64k : 17 sec
128k : 35 sec
256k : 69 sec
512k : 137 sec
1M digit : 288 sec
2 M multi thread: 857 sec
Prova 3D dimension:
- render 1: 47 fps
- render 2: 46 fps
- render 3: 42 fps
- render 4: 41 fps
- render 5: 33 fps
- render 6: 29 fps
- render 7: 38 fps
- render 8: 36 fps
total score: 936

N85 – Velocità di trasmissione dati, elaborazione dati, elaborazione 3D
RMS Size: 2097131 Kb
RMS Write Speed= 32 Kb/s
RMS Read Speed= 155 Kb/s
- 16k: 1″
- 32k: 2″
- 64k: 4″
- 128k: 8″
- 256k: 17″
- 512k: 34″
- 1M digit: 69″
- 2 M multi thread: 148″
Prova 3D dimension:
- render 1: 37 fps
- render 2: 37 fps
- render 3: 23 fps
- render 4: 23 fps
- render 5: 10 fps
- render 6: 11 fps
- render 7: 14 fps
- render 8: 9 fps
total score: 492

N96 – Velocità di trasmissione dati, elaborazione dati, elaborazione 3D
rms size 2097151
rms write speed 73 kb/s
” read ” 81 kb/s
- 16k: 1″
- 32k: 2″
- 64k: 4″
- 128k: 9″
- 256k: 17″
- 512k: 36″
- 1024k: 73″
- 2048k multiread: 166″
Prova 3d dimension
- render 1: 32 fps
- render 2: 33 fps
- render 3: 18 fps
- render 4: 19 fps
- render 5: 8 fps
- render 6: 8 fps
- render 7: 11 fps
- render 8: 8 fps
total score 408

E90 Comunicator Velocità di elaborazione di dati:
rms size 90416 kb
rms write speed 38 kb/s
RMS Read Speed= 54 kb/s
- 16k: 4″
- 32k: 8″
- 64k: 16″
- 128k: 34″
- 256k: 69″
- 512k: 134″
- 1M digit: 261″
- 2 M multi thread: 523″
Prova 3d dimension
- render 1: 39 fps
- render 2: 38 fps
- render 3: 35 fps
- render 4: 33 fps
- render 5: 26 fps
- render 6: 22 fps
- render 7: 31 fps
- render 8: 29 fps
total score 759

Conclusioni: “Come possiamo notare l’acceleratore grafico ormai rodatissimo e portato al massimo su N95 8gb ha portato ad un punteggio totale quasi il doppio rispetto al N85 ed N96 però sotto il profilo della velocità di calcolo questo mi ha stupito veramente: N85 è il più veloce in assoluto dei 4 modelli messi a comparazione.
Devo dire che sono rimasto un po’ deluso da N96, viene detto che attualmente utilizza un solo processore ma io sono sconcertato che si faccia battere da un telefono che tutti dipingono come il fratellino (N85) di fatto ad un costo inferiore è attualmente il fratello maggiore in prestazioni rispetto ad N96!!!”. Grazie Mioke!!!

Per quel che concerne Nokia N97 è stato specificato solo che sarà presente un processore ARM11, dunque 3 ipotesi:

1) Stesso chipset presente su 5800 XM, ma con velocità di clock maggiore per il processore
2) TI OMAP 2431 della Texass Instruments. Le componenti principali del 2430 comprendono: un processore ARM 1136 operante fino a 450 Mhz; un acceleratore grafico 2D/3D fino a 1 milione di poligoni/secondo; un’unità di processazione segnali digitali come audio, video e immagini. Per il 2431 la Texas Instruments descrive un chip comprendente: un processore ARM 11 a 840 Mhz per le applicazioni, un core TI C55x DSP a 480 Mhz per il 3G e 2G, un processore immagini a 240 Mhz, il tutto capace di consumare al massimo 500mW col dispositivo in applicazioni e dai 200 ai 250 mW col dispositivo in modalità cellulare.
3) La possibilità di un processore ARM 11 MPCore, un multiprocessore che può essere configurato per contenere da 1 a 4 ARM11 insieme con capacità di calcolo totale dunque pari a 2600 Dhrystone MIPS e un arresto adattativo dei processori inutilizzati in modo da contenere i consumi energetici.

Ci terrei a ringraziare alextootchie di spaziocellulare per due motivi. Primo, è lui che meglio di un ispettore attento a tutte le voci, a tutte le info, capace di elaborare mille idee e piste interessanti, riporta le 3 ipotesi utili. Secondo, ci insegna a valutare un dispositivo mobile sotto più importanti aspetti, senza limitarsi a fotocamere e TV.

Le caratteristiche del processore ARM11 MPCore:

- Highly configurable

• Flexibility of total available performance from implementations using between 1 and 4 processors.

• Sizing of both data and instruction cache between 16K and 64K bytes across each processor.

• Either dual or single 64-bit AMBA 3 AXI system bus connection allowing rapid and flexibility during SoC design

• Optional integrated vector floating point (VFP) unit

• Sizing on the number of hardware interrupts up to a total of 255 independent sources

- Efficient processing

• Rich ARMv6K architecture-based multiprocessor-capable instruction set architecture providing architectural enhancements that further improve performance of a multiprocessor capable OS

• Support for ARM Thumb ® instruction set

• ARM Jazelle technology

• ARM DSP extensions

• SIMD (single instruction, multiple data) media processing extensions delivering up to 2x performance for video processing

- Advanced energy management features

• Designed for low power by providing gate level shutdown of unused resources

• Supporting the ability for each processor to go into standby, dormant or power off energy management states providing control over both the dynamic and static energy consumed by the processor and memories with savings of up to 85%

- High performance memory system

• 16-64k independent data and instruction cache per processor with support for full data coherence.

• Ability for data to move between each processor’s cache permitting rapid data sharing without accesses to main memory.

• Optimized L1 memory system significantly increasing throughput and further lowering power consumption.

• Fully physical index, physically tagged data cache removing the performance costs from de-aliasing addresses on larger caches or needing to flush caches on an OS context-switch

• Data cache allocation on both read and writes along with an intelligent merging write buffer with forwarding to greatly reduce main memory accesses and significantly increase the ability to form bursts from multiple memory requests.

• Unique ‘cork-screw’ cache memory design accelerating cache allocation and eviction to a single cycle

- Simple design integration

• ARM-EDA Reference Methodology deliverables significantly reduce the time to generate a specific technology implementation of the core and to generate industry standard views and models.

• Integration of the essential system components provides a standard OS view of the key functionality and reduces the complexity and risk associated in gaining OS support.

• Utilizes 64-bit AMBA 3 AXI bus interconnect simplifying system interconnect while providing higher data bandwidth and easier timing closure

- Software support environment

• Standard ARM programming model with support for existing OS, middleware and applications

• Availability of Linux 2.6 SMP capable operating system and tools. Click to download.

• Support for both asymmetric multiprocessor (AMP) workloads, and for symmetric multiprocessing (SMP) multiprocessor programming paradigms

Una piattaforma che si basa su questo tipo di processore è la NVIDIA APX 2500 un’altra delle chiccherie presentate al MWC 2008 e di cui un video esprime più delle parole:

Ora facciamo due chiacchiere da bar… cosa intendo per smartphone: un dispositivo altamente dedicato alla comunicazione senza limite, dunque largo spazio allo sfruttamento delle reti gsm e dati internet. Un sistema software stabile, prestante, veloce e user friendly, per l’accesso ai contenuti web e per la gestione/scambio files.Un sistema GPS integrato. Intrattenimento multimediale con audio, immagini e video in primo piano. Il tutto in linea con la dimensione mobile, dunque di ridotte dimensioni, altamente portatile e quel che è più importante con un’autonomia energetica quantomeno giornaliera. Il resto è gadget. Avere una fotocamera sempre a portata di mano è molto utile, ma a parità di condizioni luce sarà sempre difficile raggiungere le prestazioni di una fotocamera digitale, che invece le foto le fa di “mestiere”. A tal proposito consiglio a tutti questo post su spaziocellulare. Utile guida che ci insegna a valutare la qualità di una fotocamera al di là del mito dei megapixel. La TV digitale forse un po’ troppo pretenziosa, dopo un’ora di TV la batteria ci direbbe addio e in tasca ci ritroveremmo, per il resto della giornata, con un peso piuttosto che con un aggeggio utile. Per questo secondo me la presenza del modulo DVB-H và via via scemando sulla nuova generazione di dispositivi. La risoluzione HD, bella storia, ma finchè la risoluzione video in riproduzione, si addice alla risoluzione dello schermo del dispositivo, ci si può accontentare. Anche un’esperienza gioco 3D della serie Play Station, soprattutto su uno schermo generoso come può essere quello di un dispositivo touch screen farebbe la sua “porca” figura. Tuttavia non è la prima cosa che si dovrebbe cercare su un dispositivo del genere, quanto allora piuttosto sarebbe preferibile volgere i propri risparmi all’acquisto di una PSP. Oltretutto la responsività di un input touch non sarà mai all’altezza di quello dato su una tastiera fisica, almeno per ora e per quanto chichettoso.

Detto questo a favore dell’ipotesi n1) c’è il fatto che tutto sommato questo chipset fa quello che deve fare e penso che la scelta debba essere modulata tra preferenze e ipotetici accordi presi agli inizi del rapporto “commerciale” tra Nokia e Freescale. A sfavore dell’ipotesi n2) c’è il fatto che quella del chipset TI OMAP 2x, è ormai una tecnologia sorpassata dalla serie TI OMAP 3x. I possessori di N95 giustamente adulano tale dispositivo, che è forse il migliore mai scaturito dalla casa finlandese, ma che spesso ha portato gli utenti a lamentare una scarsa durata della batteria. Si sà, ricche prestazioni consumano tanto e penso sia questo uno dei motivi che ha spinto la Nokia a dirigersi altrove nel cercare chipset per i propri dispositivi. L’ipotesi n3) tutta da valutare. Fortemente improbabile la presenza di un NVIDIA APX 2500 su Nokia N97, in quanto la NVIDIA ha stretto una partnership con Microsoft, per la prossima generazione del sistema operativo Windows Mobile. Dunque si dovrebbe giustificare la presenza di un ARM11 mpcore sotto forma di altra soluzione. Naturalmente ben venga anche se le caratteristiche di Nokia N97 sono già state fissate al di sotto delle prestazioni di tale processore. Infatti della Nokia è stata dichiarata una risoluzione video 640×480, dunque siamo in termini di VGA, mentre con questo processore sarebbe stato più logico parlare in termini di HD.

Comunque, questi sono solo miei pensieri, solo l’avvenire ci darà il responso finale, ogni alternativa è valida.

Certo sarebbe stato sicuramente bella cosa avere un N97 con TI OMAP 3430, come su Omnia HD.

TI OMAP 3430 combina un processore con architettura ARM Cortex-A8 (superscalar 600 MHz/1GHz), con acceleratore multimediale IVA2+, che permette una riproduzione/registrazione video fino a 720p HD, ovvero 1280×720, acceleratore grafico POWERVR SGX prodotto dalla Imagination Technologies, per un’esperienza 3D senza eguali, con supporto delle OpenGL ES® 2.0 e OpenVG, un sistema integrato per il supporto dell’output verso schermi esterni anche di elevate prestazioni come gli XGA (1024×768 pixels), 16M-color (24-bit definition). La tecnologia SmartReflex della Texas Instruments interviene, in questo chipset di nuova generazione, a preservare la batteria, con un sistema hardware/software che controlla dinamicamente voltaggio, frequenza e energia in base all’attività del dispositivo, tipi di operazione, temperatura.

Di certo scrivendo questo articolo sono andato a toccare campi spesso fuori dall mia portata, che un informatico non sono. Vi ho speso tempo e ricerca, ho cercato di essere il più chiaro possibile, ma mi scuso nell’eventualità di errori o “baggianate”. Non sono un Guru, spero quantomeno di aver stimolato la vostra curiosità.