深入认识平板电脑的架构和芯片

前面跟大家分享了:平板电脑是什么东西?带你认识平板电脑。,今天我们一起来深入了解下平板电脑的架构和芯片,比如现在厂商在大型推广的全志A10架构,一起来看看吧!

(全志A10芯片)

一、概述

平板电脑大致分为传统平板电脑和新一代平板电脑。传统平板电脑是微软提出的,是指能够安装x86版本的Windows系统、Linux系统或Mac OS系统的PC。新一代平板电脑大多采用ARM架构,这样就可避开能耗高的问题,在续航和散热方面有了很大改进。同时新一代平板电脑大部分搭载iOS、 Android、webOS或者BlackBerry Tablet OS系统,在界面交互性上优化不少,增加了用户的体验感。
ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM技术具有性能高、成本低和能耗省的特点,契合了移动产业的发展需求。
在商业模式方面,ARM公司与传统处理器巨头英特尔及AMD有所不同。ARM公司自己并不制造芯片,只负责芯片的设计,并将设计方案授权(licensing)给其他公司使用,从中得到授权费用。

二、X86与ARM架构的区别
首先,我们来了解一下X86架构,CPU在发展过程中以英特尔的CPU最为成功,英特尔于1978年在推出的Intel 8086中央处理器中首度提出x86架构。这也成为我们现在的主流CPU架构。这类CPU设计之初主要就用在个人电脑上。X86架构的CPU使用得非常的 广泛,从最初的台式机,然后到后来的笔记本电脑和现在的上网本都使用的为X86架构的CPU。目前生产X86架构的CPU厂家主要有英特尔,AMD与威 盛。
那么,ARM架构的由来呢,X86设计之初就是为了给个人PC使用,而之后便携式的电子设备流行起来,但X86架构的尺寸与功耗并不能够满足便携电子设备 的需求。所以早期便携电子设备使用的处理器主要都是由一些半导体自己进行研发,各自为政,标准也不统一,这样开发周期就比较长,企业的投入也比较大。这时 候有一家叫ARM的公司看到这里面的问题,于是对传统的处理器架构进行了优化,精简了一下架构,然后将这个技术打包出来提供相应的开发标准性文档与资料, 然后ARM公司将这些技术标准授权给由一些半导体厂商,半导体厂商再按照这些标准开发出相应的CPU,这些开发出来的CPU被统称为ARM架构的CPU。 ARM架构的CPU主要应用在智能手机、GPS、PDA、机顶盒等设备里。生产ARM架构的CPU厂家比较多,主要有高通、三星、英伟达、马威尔、瑞芯微 等。

三、平板电脑芯片的分类

1、按阵营分为:
Ⅰ、ARMv4架构阵营,代表核心:  ARM9核心
Ⅱ、ARMv6架构阵营,代表核心:  ARM11核心
Ⅲ、ARMv7架构阵营,代表核心:  ①高通Scorpion核心  ②Cortex A8核     ③三星Hummingbird核心   ④Cortex A9核心
Ⅳ、MIPS架构阵营,代表核心:①MIPS-Based™芯片组 ②中国龙芯2

2、细分:

(1)ARM9核心代表方案:

① 威盛WM8505WM8505+
② 瑞芯微RK2808
③ 瑞芯微RK2818

(2)ARM11核心代表方案:

①Telechips TCC8902
②盈方微IMAPX200

(3)高通Scorpion核心代表方案:

高通Snapdragon QSD8250

(4)Cortex-A8核心代表方案:

①德州仪器OMAP34303530
②德州仪器OMAP36303640
③飞思卡尔i.MX515

(5)三星Hummingbird核心代表方案:

①三星S5PC110S5PV210
②苹果A4

(6)Cortex A9核心代表方案:

NVIDIA Tegra2

三、ARM构架芯片介绍

1、ARMv4架构阵营

ARMv4架构的代表核心是ARM9核心。
ARM9核心拥有成熟的生产技术,较小的核心面积带来较低的成本,大约提供约1.1DMIPSMHz的性能。该核心相对比较省电,但难以冲击更高的频率,因此整体效能有限。

ARM9核心的代表方案有:威盛WM8505WM8505+、瑞芯微RK2808、瑞芯微RK2818等。

(1)威盛WM8505WM8505+
威盛VIA WM8505方案采用ARM9核心,基于65nm制作工艺,频率达到300MHz。搭配DDR2 128MB RAM。
威盛WM8505+是超频到400MHz的方案,也有厂商虚标到533MHz。搭配256MB DDR2内存。

小结
威盛WM8505WM8505+是最廉价的Android方案之一,搭配Android 1.6系统。该方案只支持JPEG硬解,无3D加速技术。WM8505+作为WM8505的超频版本,发热量较大。这两种方案的视频能力都很弱,无法当做 MP4使用,高清能力更是可想而知。

代表机型:山寨VIA平板,国美飞触1代等。

(2)瑞芯微RK2808方案
瑞芯微RK2808方案采用ARM9核心,基于65nm制作工艺,频率为600MHz,搭配128MB SDRAM内存,支持Android 1.5系统,无3D加速技术。

视频性能:瑞芯微RK2808拥有550MHz的Ceva MM2000独立DSP硬解码器。它的特点是能够硬解RV、H.264、VC-1、H.263、MPEG4等编码格式,最高支持到720P,其中H.264只能到2Mbps的码率,VC-1只能保证480p流畅。

小结:
瑞芯微RK2808是上市较早的芯片方案之一,600MHz的ARM9核心性能偏弱,但是瑞芯微在系统的优化上做的不错,搭配Android 1.5系统比较稳定流畅,对于普通网页浏览来说问题不大,但是遇到图片稍多的网页时,拖动过程中就会有阻塞感。

瑞芯微RK2808采用SDRAM内存,比起DDR2内存要差一些。另外它最高支持128MB RAM的特性也决定了它很难支持Android 2.0以上的系统,此外,无3D加速技术也注定了与Android 2.1以上的动态桌面和华丽特效无缘,也无法运行需要3D加速技术的游戏。

注意,市场上商家往往以“720P流畅播放”为噱头误导消费者,实际上这个方案的产品并不能支持全部的720P视频流畅播放,部分视频会有延迟或卡顿的现 象。另外,还有的厂商把550MHz的DSP解码器和600MHz的ARM核心加在一起,以“1.2G处理器”为噱头吸引消费者,希望大家不要被商家误 导。

代表机型:蓝魔W7,爱可视7HT,本易M1等。

(3)瑞芯微RK2818
    瑞芯微RK2818方案采用ARM9核心,基于65nm制作工艺,频率为624MHz,搭配256M DDR2内存,同时配备了600MHz的Ceva MM2000独立DSP硬解码器。该方案支持Android 2.1系统,并且在电容屏产品上可实现多点触摸功能。

视频性能:瑞芯微RK2818支持RV、H.264、VC-1、H.263、MPEG4等编码格式,最高支持到720P。相同的DSP解码器注定了RK2818的视频能力与前代RK2808完全一样,不禁让人有些失望。
3D性能:瑞芯微RK2818的3D部分使用的Android Pixelflinger渲染器,这是一个软件渲染器,通过ARM核心来软件渲染3D画面,因此速度上会比较慢,只能玩一些简单的3D游戏,对于复杂的 3D游戏来说仅仅个位数的帧率成绩,实在没有什么实用性。

小结:
    瑞芯微RK2818改进了内存控制器,支持DDR2颗粒,因此性能上会有一定程度的提升,加上内存容量增加明显,因此瑞芯微RK2818在系统响应,网页浏览和文档阅读性能都有明显的提升。
瑞芯微RK2818通过了Adobe的PDF认证,使用自带的阅读器阅读PDF文件时速度很快,只是功能稍显单调。另外RK2818的DSP具有可编程性,经过进一步开发可支持3D视频、人脸识别等功能,亮点增加。
虽然瑞芯微RK2818在视频和游戏方面提升不是很明显,但由于扩大了内存容量,在上网以及阅读等体验上,相比RK2808有了不小的进步。

瑞星微发布了双核RK3066芯片

代表机型:蓝魔W9,蓝魔W11,原道N6,台电T720

2、ARMv6架构阵营
ARMv6架构的代表核心是ARM11核心。
ARM11核心系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器,它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。ARMv6,发布于2001年10月,它建立于过去十年ARM许多成功的结构体系基础上。
ARM11同样是一款非常经典的核心设计,它能提供约1.2DMIPSMHz的性能。加长的管线可以冲击更高的频率(1GHz),相比采用ARMv4架构的ARM9有着更强的性能,不过与此同时功耗的增加也比较显著。

ARM11核心的代表方案有:Telechips TCC8902、盈方微IMAPX200

(1)Telechips TCC8902
Telechips是韩国的一家芯片研发公司。Telechips TCC8902方案采用ARM11核心,基于65nm制作工艺,频率达到650MHz–800MHz。搭配256MB DDR2内存。该方案支持Android 2.1系统。

视频性能:Telechips TCC8902拥有独立的视频子系统:ARM Mali-VE6,基于硬解解码方式,可支持RV,H.264,VC-1,H.263,MPEG4等视频格式,最高达到1080P,且能保证1080P流畅播放。

3D性能:Telechips TCC8902拥有“ARM Mali-200”3D加速渲染器,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。

    小结:Telechips TCC8902支持Android 2.1系统,性能处于主流水平,能够应付大部分应用。TCC8902虽然拥有3D加速技术,但由于驱动不够完善,未能将“ARM Mali-200”的实力发挥出来。视频播放是TCC8902的强项,TCC8902支持多格式的1080P,也真正做到了1080p流畅播放。值得一提 的是,“多格式的1080P”并非所有的1080P都能播放,据笔者的使用有的1080P视频还是会出现延迟甚至卡顿,不过对于720P来说几乎轻而易 举,相比上面的几种方案,TCC8902的视频能力已经非常出色了。浏览网页时,ARM11的处理能力对于带有图片的复杂网页依旧不够,拖动并不流畅。总 体来说,Telechips TCC8902是现阶段比较不错的方案之一。

代表机型:乐天派GPad701、智器V系列,酷比U6,山寨平板

(2)盈方微IMAPX200
盈方微IMAPX200方案采用ARM11核心,基于65nm制作工艺,频率达到了1GHz。搭配256MB DDR2内存。该方案支持Android 2.1系统。
视频性能:盈方微IMAPX200拥有独立的On2 Hantro 8190视频子系统,该系统基于硬解解码方式,可支持RV,H.264,VC-1,H.263,MPEG4,VP6等视频格式,最高达到1080P。
3D性能:盈方微IMAPX200拥有“VIVANTE GC600”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的IMR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1、OPENVG。

小结
卓尼斯ZT-180方案的真正面目是盈方微IMAPX200方案。

盈方微IMAPX200产品上市时间较晚,系统驱动还不是很完善。在播放1080P高清视频时会有掉帧现象。另外,盈方微IMAPX200整体功耗偏大,散热效果较为一般。
在“卓尼斯ZT-180”上市之初,厂商宣传它采用的是A8核心处理器,引起不小轰动,后经证实该方案实际上依然是ARM11核心,不过被频率拉到了1GHz,理论上能达到Cortex-A8 500-600MHz的水平,相对来说也算不错。

代表机型:卓尼斯ZT-180,国美飞触2代

3、ARMv7架构

ARMv7架构的代表核心是Cortex指令集系列核心,而Cortex指令集系列核心又可分为:高通Scorpion核心、Cortex A8核心、三星Hummingbird核心、Cortex A9核心。

(1)高通Scorpion核心代表处理器方案有:高通Snapdragon QSD8250、高通Snapdragon QSD8250
Snapdragon QSD8250芯片组采用1GHz Scorpion核心,基于65nm制作工艺,搭配256512M mDDR内存,支持Android 2.1操作系统。
视频性能:Snapdragon QSD8250拥有独立的视频子系统:高通QDSP6000。支持720P H.264视频,实际应用中只有480P H.264流畅,通过软件解码能勉强支持480P多格式流畅。
3D性能:Snapdragon QSD8250拥有“Adreno 200(AMD Z430)”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的IMR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。

小结
高通Snapdragon QSD8250是最早面世的1GHz芯片之一,性能较为强劲,系统非常流畅,浏览网页等应用完全不在话下。该芯片集成的Adreno 200并不是很强大,不过在游戏方面表现还算不错。视频方面,高通Snapdragon QSD8250表现不是很出色,最高支持到720P,但实际只能保证480P流畅,不过当遇到高码率的片段时依然会出现掉帧甚至卡顿现象。另外,高通的芯 片掌握在自家手中,专利费较贵,因此使用该方案的产品价格也不算便宜。

代表机型:卓尼斯ZT-180,国美飞触2代

(2)Cortex-A8核心

ARM Cortex-A8处理器是第一款基于ARMv7架构的应用处理器。Cortex-A8处理器的速率可以在600MHz到超过1GHz的范围内调节,性能 大概是同频率ARM11的2-3倍。Cortex-A8标配Neon单元,通过SIMD指令集大大加强浮点性能,可以实现不少DSP的功能。相对高昂的授 权费用和较大的核心面积,使得Cortex-A8 SOC的成本相对较高,作为定位中高端的产品出现。

Cortex-A8核心的代表处理器方案有德州仪器OMAP34303530、德州仪器OMAP36303640、飞思卡尔i.MX515等。

①德州仪器OMAP34303530
德州仪器OMAP34303530采用A8核心,基于65nm制作工艺,频率达到了550–720MHz,搭配256M mDDR内存,支持Android 2.1以上操作系统。
视频性能:德州仪器OMAP34303530搭载基于C64x+ DSP的IVA2+视频子系统,频率为430mHz。DSP C64x+表现较为强劲,不过只有爱可视对它进行了进一步开发,表现还算不错,勉强支持720P。对于其他厂商,只能像高通的QSD8250一样,通过软 件解码并配合处理器超频以后,能够勉强支持多格式480P视频流畅播放,高码率时依然会有掉帧和卡顿现象。
3D性能:德州仪器OMAP34303530拥有“PowerVR SGX530”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的TBR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。PowerVR SGX530的整体表现不错,它的实际表现比高通的Adreno200更加出色。

小结
德州仪器OMAP34303530同样是一款经典的处理器芯片,在OMAP3430超频至800MHz时能达到1GHz的Snapdragon QSD8250的水平(TI官方测试得分)。不过同频下它比Snapdragon要耗电,1GHz的Snapdragon的Scorpion核心耗电与 600MHz的TI Cortex-A8接近。总体来说各有所长各有所短。

代表机型:爱可视5

②德州仪器OMAP36303640
德州仪器OMAP36303640同样采用A8核心,基于45nm制作工艺,频率达到了1GHz–1.2GHz,搭配256M DDR2内存,支持Android 2.1以上操作系统。
视频性能:与OMAP34303530相同,德州仪器OMAP36303640依然采用了基于C64x+ DSP的IVA2+视频子系统,频率为430mHz。DSP C64x+表现较为强劲,不过只有爱可视对它进行了进一步开发,表现还算不错,勉强支持720P。对于其他厂商,只能像高通的QSD8250一样,通过软 件解码并配合处理器超频以后,能够勉强支持多格式480P视频流畅播放,高码率时依然会有掉帧和卡顿现象。
3D性能:德州仪器OMAP36303640搭载“PowerVR SGX530”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的TBR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。
小结:
德州仪器OMAP36303640采用45nm制作工艺,频率有了很大提升,性能进一步加强,由于采用了全新的DDR2内存,它的3D性能也得以完全释放,理论性能达到了前作OMAP3430的2倍。
代表机型:爱可视最近发布的一系列新机

③飞思卡尔i.MX515

飞思卡尔半导体(原摩托罗拉半导体部)是全球领先的半导体公司,为规模庞大、增长迅速的市场提供嵌入式处理产品和连接产品。
飞思卡尔i.MX515采用A8核心,基于65nm制作工艺,频率达到了800MHz1GHz,搭配256512M  DDR2内存,支持Android 2.2操作系统。
视频性能:飞思卡尔i.MX515拥有独立的硬解视频子系统,支持H.264,VC-1,MPEG4,RV等多格式视频格式,最高到720P。
3D性能:飞思卡尔i.MX515和高通Snapdragon QSD8250一样,拥有“Adreno 200(AMD Z430)”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的IMR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。
小结:
飞思卡尔i.MX515是最近呼声颇高的芯片之一,它采用了Cortex-A8内核,具有与高通Snapdragon类似的性能,网络浏览、文档阅读等日 常应用自然不在话下。由于采用DDR2内存,获得了更大的带宽,3D性能有了进一步提升。视频方面,对于RM、RMVB格式,只能通过软解实现,但多格式 的720P解码能力还是值得期待。

代表机型:山寨i.mx515

(3)三星Hummingbird核心:
三星Hummingbird核心是三星联合苹果在Cortex-A8的基础上,经过一系列的改进而得到的一种“Cortex-A8加强版”核心,笔者将它独立出来,是因为修改后的核心运行更快,并且集成了全新的GPU核心,3D性能得到全面增强。
Hummingbird核心的代表处理器方案有:三星S5PC110S5PV210、苹果A4

①三星S5PC110S5PV210

三星S5PC110S5PV210采用优化的Cortex-A8核心(即Hummingbird核心),基于全新45nm制作工艺,频率达到了1GHz,并内置512K L2缓存,搭配512M DDR2内存,支持Android 2.1以上操作系统。
视频性能:三星S5PC110S5PV210拥有独立的硬解视频子系统PowerVR VXD370,支持H.264,VC-1,MPEG4等多格式视频格式,最高到1080P。不过三星S5PC110并不支持RMVB的硬件解码,只能通过软解实现480P。
3D性能:三星S5PC110S5PV210拥有“PowerVR SGX540”3D加速渲染器,该渲染器采用统一的TBR渲染架构,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。
小结:
三星S5PV210和S5PC110的区别在于其封装方式,本质并无太多变化。前者封装尺寸较大,适用于平板和上网本,后者的小尺寸封装适用于手机。
三星S5PC110S5PV210可以说是目前最强的ARMv7架构芯片之一,它配置了512K的L2缓存,是其他Cortex-A8处理器的两倍,并且加入了强劲的SGX540显示核心,实测性能领先其他Cortex-A8产品1倍以上,游戏性能非常强劲。

代表机型:三星Galaxy Tab

②苹果A4
苹果A4与三星S5PC110的核心布局基本相似,不过苹果在A4上进行了极大程度的优化和定制(这就是当初苹果表示的10亿美元的研发成本),摒弃了iPhone4或iPad所不需要的模块,并加大了二级缓存以提高性能。
视频方面,苹果A4将负责视频硬解的VXD370被改成了VXD375,只能通过软解支持720P的H.264 MP4格式解码。3D性能上,三星S5PC110的PowerVR SGX540被改成了SGX535,3D性能稍有降低。另外,Apple A4配备了640KB的L2缓存,相比三星S5PC110有所提升。
代表机型:苹果iPad

(3)Cortex A9核心
Cortex-A9核心是在Cortex-A8的基础上进行改进得到,Cortex-A9处理器能与其他Cortex系列处理器以及广 受欢迎的ARM MPCore技术兼容,效能提升到2.5DMIPSMHz。同时Cortex-A9处理器普遍采用对称双核心配置,两个相同的核心共享1MB的L2缓存, 总体性能达到了Cortex-A8的2倍以上,性能十分强劲。
Cortex-A9多核处理器是首款结合了Cortex应用级架构以及用于可扩展性能的多处理能力的ARM处理器。值得注意的是,在Cortex-A9上,Neon单元不再是标准配置。厂商可以选择传统的VFP单元以换取功耗和核心面积的优化。
Cortex-A9核心的代表处理器方案有:NVIDIA Tegra2

NVIDIA Tegra2
NVIDIA Tegra2采用Cortex-A9双核心设计,基于全新40nm制作工艺,频率达到了1GHz,搭配512M1G DDR2内存,支持Android 2.2以上操作系统。
视频性能:NVIDIA Tegra2拥有独立的硬解视频子系统,支持H.264,VC-1,MPEG4等多格式视频格式,最高到1080P。NVIDIA Tegra2没有提供对RMVB的支持,不过估计依靠双核A9进行软解视频应该问题不大。
3D性能:NVIDIA Tegra2拥有“GeForce ULV”3D加速渲染器,支持OPENGL ES2.01.1,OPENVG。由于32bit DDR2内存所能提供的内存带宽有限,一定程度上限制了NVIDIA Tegra2内置图形核心的发挥,因此它与Hummingbird的SGX540基本处于同一水准的效能上。尽管如此,其3D性能还是处于量产SOC中的 顶尖水平。

小结
NVIDIA Tegra2采用Cortex-A9双核心,几乎达到了Cortex-A8的2倍性能,面对任何Android应用基本都没有问题。另外Tegra2集成 了专门的音频解码模块,以最大限度地解放ARM,降低功耗。内置一个ARM7用于全芯片的功耗管理。
总体看来,NVIDIA Tegra2当属现今平板电脑界的“SOC”之王。

代表机型:万利达Zpad、东芝Folio 100

4.MIPS构架芯片阵营

MIPS构架芯片代表核心是 MIPS-Based™ 芯片组、中国龙芯2和前代产品中国龙芯1采用的都是64位MIPS指令架构。

采用 1.3GHz  频率的超标量MIPS32TM 74Kf™ 内核(带浮点单元)。除支持Android以外,该芯片同时具备 OpenGL ES 2.0 3D 绘图处理单元、USB 2.0 OTG和 HDMI 1.3,以支持多种格式的高清1080p 视频编解码和其他先进功能。

MIPS-Based™核心的代表方案有: 君正JZ4770方案(CPU主频标称1G,搭载GC860GPU )

代表机型艾诺NOVO7普及版

补充:

美普思科技公司与炬力集成电路设计公司合作研发出针对平板电脑和其他移动设备的新款 1.3GHz MIPS-Based™ 芯片组。
MIPS-Based 芯片广泛用于便携式媒体播放器,其中包括 23、25、27 系列,G1000 游戏系列、ATM70 平板系列,以及功能手机。
炬力的新款高性能系统级芯片(SoC)采用 1.3GHz  频率的超标量MIPS32TM 74Kf™ 内核(带浮点单元)。除支持Android以外,该芯片同时具备 OpenGL ES 2.0 3D 绘图处理单元、USB 2.0 OTG和 HDMI 1.3,以支持多种格式的高清1080p 视频编解码和其他先进功能。

最近上市的艾诺NOVO7普及版采用正是基于MIPS架构的 君正JZ4770方案,CPU主频标称1G,搭载GC860GPU