(Tiểu luận) bài tập lớn đề tài 6 tìm hiểu kiến trúc hệ thống smartphone

Nó chịu trách nhiệm đảm bảo rằng điện thoại thông minh cóthể nhận và giải mã các tín hiệu radio được truyền bởi trạm phát sóng di động, chophép người dùng thực hiện và nhận cuộc gọi điện

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1

o0o

BÀI TẬP LỚN

Đề tài 6: Tìm hiểu kiến trúc hệ thống smartphone

Môn học: Hệ điều hành

Số thứ tự nhóm : 9

Nguyễn Trường Giang MSSV: B21DCCN306

Giảng viên hướng dẫn: Ths Đinh Xuân Trường

HÀ NỘI, 11/2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 Giới thiệu về smartphone 1

1.1 Giới thiệu về Smartphone 1

1.2 Một số công ty lớn về sản xuất smartphone 1

1.3 Những nội dung được đề cập trong bài tập lớn 2

1.3.1 Kiến trúc smartphone 2

1.3.2 So sánh smartphone với pc 2

CHƯƠNG 2 Kiến trúc smartphone 3

2.1 Kiến trúc phần cứng 3

2.1.1 Chipset 4

2.1.2 GPU 5

2.1.3 System on a Chip (SoC) 5

2.2 Thiết kế truyền thông 6

2.2.1 Receiver (RX) (Bộ Thu) : 6

2.2.2 Transmission (TX)(Bộ Phát): 7

2.3 Thực thi ứng dụng người dung 7

2.4 Các thiết bị ngoại vi quan trọng 8

2.5 Bộ xử lý 8

2.5.1 Kiến trúc DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) truyền thống 9

2.5.2 Modern DSP Architectures 10

2.5.3 ARM Processors for Mobiles 11

CHƯƠNG 3 So sánh kiến thúc và hoạt động của smartphone và pc 13

3.1 So sánh kiến trúc 13

3.2 So sánh hoạt động 14

CHƯƠNG 1 Giới thiệu về smartphone

1.1 Giới thiệu về Smartphone

Điện thoại thông minh là điện thoại di động cung cấp các công nghệ tiên tiến có chức năng tương tự như máy tính cá nhân Trong khi cung cấp một nền tảng tiêu chuẩn hóa cho các nhà phát triển ứng dụng, điện thoại thông minh hoạt động như một phần mềm hệ điều hành hoàn chỉnh Ngoài ra còn có những tính năng rất tiên tiến trong điện thoại thông minh như internet, tin nhắn tức thời và e-mail và bàn phím tích hợp cũng rất điển hình Vì những lý do này mà chúng ta có thể nói điện thoại thông minh là một chiếc máy tính thu nhỏ với những điểm tương đồng của một chiếc điện thoại đơn giản

Có một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực CNTT cũng như điện thoại di động Đầu tiên là những chiếc điện thoại di động lớn và đơn giản mà con người chỉ sử dụng để gửi, nhận văn bản và gọi điện thoại đơn giản nhưng theo thời gian, công nghệ này đã phát triển và giờ đây có những chiếc điện thoại di động thực sự nhỏ

bé chứa dữ liệu riêng tư và quan trọng của chúng ta như thuyết trình , ảnh, e-mail, v.v và những chiếc điện thoại di động nhỏ như vậy được gọi là Điện thoại thông minh Những điện thoại thông minh này có các tính năng giống như máy tính và máy tính xách tay, nơi chúng ta có thể kiểm tra thư, lưu tài liệu và cũng có thể sử dụng cho mục đích giải trí

Smartphone được dựa trên một hệ điều hành (OS) cho phép nó chạy các ứng dụng Trên thị trường hiện có các HĐH phổ biến cho Smartphone như là: iOS, BlackBerry OS, Android, Symbian, webOS, Windows Phone

Smartphone có thể giúp người dùng tiếp cận các ứng dụng(Apps), truy cập Web

và sử dụng Email/chat Đây mới chỉ là một số tính năng làm cho Smartphone thông minh Tuy nhiên, nên nhớ rằng công nghệ xung quanh Smartphone và điện thoại di động liên tục thay đổi, những yếu tố phân biệt một chiếc Smartphone ngày hôm nay có thể thay đổi vào tuần tới, tháng tới hoặc năm tới mà khó có thể đoán trước được

1.2 Một số công ty lớn về sản xuất smartphone

Trong kỷ nguyên công nghệ mới này, có rất nhiều công ty không chỉ sản xuất điện thoại di động mà thậm chí họ còn cố gắng dồn hết chuyên môn của mình vào việc sản xuất điện thoại thông minh Mỗi công ty đều có những công nghệ khác nhau và cố gắng trở thành số một trong lĩnh vực Viễn thông Một số công ty sản xuất điện thoại thông minh lớn:

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ SMARTPHONE

•Apple : iphone 15

•Nokia : nokia 8800

•Samsung : Samsung galaxy s22

•Xiaomi : Xiaomi 14 pro

•HTC : HTC u23 pro

•Oppo : oppo reno8 pro

•Black Berry

1.3 Những nội dung được đề cập trong bài tập lớn

1.3.1 Kiến trúc smartphone

•Kiến trúc phần cứng

•Thiết kế truyền thông

•Thực thi ứng dụng người dung

•Thiết bị ngoại vi quan trọng

•Bộ xử lý

1.3.2 So sánh smartphone với pc

•So sánh kiến trúc

•So sánh hoạt động

2

CHƯƠNG 2 Kiến trúc smartphone

2.1 Kiến trúc phần cứng

Đây là ảnh của kiến trúc phần cứng

Hình 2.1: Cấu trúc chung phần cứng Smartphone

Kiến trúc Arm

Hình 2.2: Kiến trúc arm

ARM (viết tắt từ Acorn RISC Machine, sau này là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết

kế nhúng Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động - các sản phẩm mà việc tiết kiệm công suất là một mục tiêu quan trọng hàng đầu khi thiết kế

3

Discover more

from:

INT1319

Document continues below

Hệ điều hành

Học viện Công ng…

104 documents

Go to course

giáo trình hệ điều hành PTIT

Hệ điều

hành 97% (31)

183

Trắc nghiệm hệ điều hành

Hệ điều

hành 100% (12)

17

BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM

Hệ điều

hành 100% (3)

11

Giáo trình hệ điều hành Từ Minh…

Hệ điều

hành 100% (2)

183

99 CÂU TN Nguyên

LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH

15

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM

trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM được

tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA,

điện thoại di động, máy đa phương tiện và máy tính cầm tay) cho đến các thiết bị

ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Ví dụ như một nhánh nổi

tiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel

2.1.1 Chipset

Chipset là một tập hợp các vi mạch và linh kiện điện tử tích hợp trên một bo

mạch chủ (mainboard) hoặc một chip duy nhất, thường được thiết kế để hoạt động

cùng nhau và hỗ trợ các chức năng chính của một hệ thống Chipset đóng vai trò

quan trọng trong việc kết nối và điều khiển các thành phần khác nhau của máy

tính hoặc thiết bị điện tử, như CPU (Central Processing Unit), GPU (Graphics

Processing Unit), bộ nhớ, các cổng kết nối, và các linh kiện khác

Chipset quản lý việc truyền tải dữ liệu giữa các thành phần của hệ thống như

CPU, GPU, bộ nhớ, và các linh kiện khác

Chipset cung cấp các giao thức và kết nối cho các cổng như USB, SATA, PCIe,

và các giao thức khác để kết nối với các thiết bị ngoại vi

Trong quá khứ, chipset thường được chia thành hai phần chính: Northbridge và

Southbridge.Northbridge Chịu trách nhiệm cho các chức năng yêu cầu băng thông

cao, như giao tiếp với bộ nhớ, GPU, và các linh kiện đòi hỏi băng thông lớn ,

Southbridge quản lý các chức năng đa dạng như kết nối với các thiết bị lưu trữ,

cổng kết nối (USB, SATA), âm thanh, và các chức năng I/O khác

Hình 2.3: Chipset

Ví dụ: Modem chipset bao gồm tất cả các mạch tích hợp đảm nhận việc truyền

và nhận thông tin

4

Hệ điều hành 100% (2)

Hệ điều hành - abc

Hệ điều hành 83% (6)

39

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

2.1.2 GPU

Bộ xử lý đồ họa (Graphic Processing Unit), là một dạng bộ xử lý chuyên biệt dùng cho việc thể hiện hình ảnh, đây là thành phần rất quan trọng quyết định đến sức mạnh đồ họa

Hình 2.4: GPU

2.1.3 System on a Chip (SoC)

Hệ thống trên một vi mạch (viết tắt là SoC hay SOC) là một hệ thống điện tử được xây dựng trên một đế silicon với tưởng là tích hợp tất cả các thành phần của một hệ thống lên trên một vi mạch đơn (hay c.n gọi là một chip đơn) Hệ thống SoC này có thể bao gồm các khối chức năng, khối tín hiệu và cả các khối tần số radio

Các thành phần tích hợp này có thể là:

• Bộ xử lý (processor)

• Bộ nhớ (RAM, ROM)

• Bộ xử lý đồ họa (GPU)

• Khối truyền thông nối tiếp UART

• Các cổng giao tiếp song song (parallel port)

• Khối điều khiển truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA controller)

a, Các loại SoC thường thấy trên thị trường Smartphone

•Snapdragon của Qualcomm

•Exynos của Samsung

•Tegra của nVIDIA

•OMAP của Texas Instrument

5

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

Hình 2.5: SoC

2.2 Thiết kế truyền thông

2.2.1 Receiver (RX) (Bộ Thu) :

Bộ RX là một thành phần quan trọng trong bất kỳ hệ thống truyền thông điện thoại thông minh nào Nó chịu trách nhiệm đảm bảo rằng điện thoại thông minh có thể nhận và giải mã các tín hiệu radio được truyền bởi trạm phát sóng di động, cho phép người dùng thực hiện và nhận cuộc gọi điện thoại, gửi và nhận tin nhắn văn bản và truy cập internet

Bộ thu (RX) trong điện thoại thông minh chịu trách nhiệm nhận các tín hiệu radio được truyền bởi trạm phát sóng di động và chuyển đổi chúng thành dữ liệu

kĩ thuật số có thể được xử lý bởi bộ vi xử lý trung tâm (CPU) của smartPhone Bộ

RX thường có các thành phần sau :

• Giao diện người dùng (RF) : Khuếch đại tín hiệu RX yếu nhận được từ trạm phát sóng và lọc bỏ bất kỳ nhiễu không mong muốn

• Bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số (ADC): Chuyển đổi tín hiệu RF được

6

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

khuếch đại được khuếch đại thành tín hiệu kĩ thuật số có thể được xử lý bởi CPU

• Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) : giải điều chế tín hiệu kỹ thuật số để trích xuất thông tin được truyền bởi trạm phát sóng

• Bộ giải mã kênh : Sửa bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu

2.2.2 Transmission (TX)(Bộ Phát):

Bộ phát (TX) trong điện thoại thông minh chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu

kỹ thuật số thành tín hiệu radio có thể được truyền đến trạm phát sóng di động Bộ

TX thường bao gồm các thành phần sau:

• Bộ chuyển đổi Kĩ thuật số sang tương tự (DAC): chuyển đổi dữ liệu kĩ thuật

số từ CPU thành tín hiệu tương tự

• Bộ khuếch đại công suất : khuếch đại tín hiệu tương tự lên mức có thể được truyền đến trạm phát sóng

• Anten : Phát tín hiệu đã khuếch đại vòa không khí

Bộ Phát (TX) là 1 thành phần quan trọng trong bất kì hệ thống truyền thông nào Nó chịu trách nhiệm đảm bảo rằng smartPhone có thể truyền tín hiệu của nó đến trạm phát sóng di động, cho phép người dùng thực hiện và nhận cuộc gọi điện thoaij, gửi và nhận tin nhắn,truy cập internet

2.3 Thực thi ứng dụng người dung

Bộ xử lý ứng dụng thực thi các ứng dụng người dùng và các chương trình hệ điều hành liên quan Các ứng dụng như audio / video codec and players, games, image processing, speech processing, internet browser, text editor, etc

Các ứng dụng chuyên sâu về đồ họa (phần lớn) được thực thi với sự trợ giúp của GPU

Trình tự thực thi ứng dụng người dùng trên điện thoại thông minh là quá trình tải và chạy ứng dụng người dùng trên điện thoại thông minh Đây là một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều thành phần của điện thoại thông minh, bao gồm hệ điều hành, ứng dụng chính nó và phần cứng Quá trình thực thi ứng dụng người dùng trong điện thoại thông minh có thể được chia thành các bước sau:

• Người dùng khởi chạy ứng dụng: Khi người dùng khởi chạy một ứng dụng, hệ điều hành Android sẽ kiểm tra xem ứng dụng đó đã được cài đặt trên thiết bị chưa Nếu có, hệ điều hành sẽ tải mã và tài nguyên của ứng dụng vào bộ nhớ

và khởi động hoạt động chính của ứng dụng Nếu ứng dụng chưa được cài đặt, 7

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

hệ điều hành sẽ tải xuống và cài đặt ứng dụng từ Cửa hàng Google Play

• Khởi tạo ứng dụng: Khi ứng dụng đã được tải vào bộ nhớ, nó sẽ khởi tạo các đối tượng và tài nguyên của mình Điều này có thể bao gồm kết nối với cơ sở

dữ liệu, tải tệp cấu hình hoặc thiết lập các thành phần giao diện người dùng

• Thực thi ứng dụng: Ứng dụng sau đó sẽ vào vòng lặp thực thi chính của nó Vòng lặp này chịu trách nhiệm xử lý đầu vào của người dùng, cập nhật giao diện người dùng và thực hiện các tác vụ khác cần thiết để ứng dụng hoạt động

• Kết thúc ứng dụng: Khi người dùng đóng ứng dụng, hệ điều hành sẽ kết thúc hoạt động chính của ứng dụng và giải phóng tài nguyên của ứng dụng

2.4 Các thiết bị ngoại vi quan trọng

Thiết bị ngoại vi của điện thoại bao gồm các phụ kiện và công cụ mà người dùng

có thể kết nối với điện thoại để mở rộng chức năng hoặc cải thiện trải nghiệm sử dụng

Dưới đây là một số thiết bị ngoại vi phổ biến của điện thoại di động:

• Tai Nghe và Tai Nghe Bluetooth:Tai nghe có dây hoặc không dây để nghe nhạc, cuộc gọi, hoặc xem video mà không làm phiền người khác xung quanh

• Thẻ Nhớ (MicroSD):Mở rộng dung lượng lưu trữ để lưu trữ thêm ảnh, video,

và dữ liệu khác

• Bút Cảm Ứng (Stylus):Cho phép người dùng viết, vẽ hoặc thực hiện các thao tác chi tiết trên màn hình

• Đồng hồ thông minh: Có nhiều tiện ích như đo lường sức khỏe , hỗ trợ trong quá trình tập luyện thể dục thể thao , định vị ,

Hình 2.6: Thiết bị ngoại vi

2.5 Bộ xử lý

Phần cứng của smartphone chủ yếu bao gồm bộ xử lý ứng dụng (System-on-a-Chip), RAM (SDRAM di động/DDR di động), DSP, CPU (bộ xử lý ARM), v.v

8

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

Do nguồn lực và chi phí giới hạn cũng như các yêu cầu tính toán theo thời gian thực (thường ở mức ms), bộ xử lý sử dụng trong smartphone có một số đặc điểm riêng biệt như khả năng lập trình hạn chế

Để hỗ trợ cho các giao diện người dùng phức tạp hơn, môi trường diễn ra các hoạt động máy và các dịch vụ bổ sung, các kiến trúc nâng cao có thể bao gồm nhiều bộ đồng xử lý phần cứng hoặc DSP

2.5.1 Kiến trúc DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) truyền thống

a Kiến trúc DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) truyền thống

Các thuật toán xử lý tín hiệu có thể được triển khai trên phần cứng bằng 2 cách: sử dụng bộ xử lý DSP hoặc ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng).DSP là một chip vi xử lý chuyên dụng, có kiến trúc được tối ưu hóa cho hoạt động xử lý tín hiệu số DSP được chế tạo trên các chip mạch tích hợp bán dẫn oxit kim loại (MOS)

Chúng được sử dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu âm thanh, viễn thông, xử lý hình ảnh kỹ thuật số, radar, hệ thống nhận dạng giọng nói và sóng âm cũng như trong các thiết bị điện tử tiêu dùng thông thường như điện thoại di động,

ổ đĩa và các sản phẩm truyền hình độ nét cao (HDTV)

b Vai trò của DSP trong GSM

Thế hệ truyền thông di động đầu tiên, tức là hệ thống 1G sử dụng truyền dẫn analog và tồn tại hạn chế là cần nhiều năng lượng hơn để truyền và giới hạn người dùng

Tín hiệu Analog hay còn gọi là tín hiệu tương tự hay tín hiệu liên tục Đồ thị biểu diễn tín hiệu analog là một đường liên tục (ví dụ sin, cos hoặc đường cong lên xuống bất kỳ) Tín hiệu sẽ tương tự về bản chất, nhưng sẽ khác nhau

về cường độ tín hiệu lúc sau so với lúc trước

Tiêu chuẩn Hệ thống Truyền thông Di động Toàn cầu (GSM) được phát triển sau hệ thống dành cho các mạng di động analog

Bộ xử lý DSP là một trong những bộ xử lý nhúng di động quan trọng nhất trong thế hệ thứ hai, tức là hệ thống 2G

Kiến trúc DSP được ưa chuộng hơn ASIC do vòng đời sản phẩm ngắn hơn và chúng được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động GSM Lý do là bởi DSP cung kiến trúc linh hoạt và ía thành hợp lí cho điện thoại di động

DSP truyền thống sử dụng kiến trúc Harvard để phân chia vật lý đường dẫn lưu trữ và tín hiệu cho các lệnh và dữ liệu Như được hiển thị trong Hình 1, 9

CHƯƠNG 2 KIẾN TRÚC SMARTPHONE

Hình 2.7: Traditional DSP Architecture (Havard Architecture)

nó yêu cầu bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ lệnh để thực hiện các lệnh Bên cạnh đó, DSP có các bus lệnh và dữ liệu riêng biệt cho phép truyền đồng thời Sau đó, đầu ra của khối nhân kết nối với một bộ cộng, từ đó cộng và lưu tất cả các kết quả từng phần để tiếp tục xử lý

Kiến trúc Harvard giúp giảm số chu kỳ cần để thực thi một chức năng cụ thể

vì nó cho phép băng thông bộ nhớ cao và nhiều thao tác toán hạng Các lệnh nhân tích lũy (MAC) thường được kết hợp với kiến trúc DSP

2.5.2 Modern DSP Architectures

Ngoài các kiến trúc truyền thống, một số kiến trúc DSP hiện đại đã được phát triển cho các thiết bị di động

TMS320C62XX là 1 ví dụ của bộ xử lí DSP VLIW

Hình 2.8: TMS320C62XX

Kiến trúc TigerSHARK DSP có một loạt tính năng nâng cao như sử dụng “vectơ ngắn” để xử lý thông tin trong kiến trúc SIMD (đơn dòng lệnh, đa dòng dữ liệu) Kiến trúc VLIW và SIMD trong các thiết bị di động hiện đại ngày càng trở nên phổ biến; vì chúng cho phép giảm tần số và điện áp của chip CPU mà không làm giảm hiệu năng

DSP đã trở nên phổ biến trong các thiết bị di động vì chúng cung cấp khả năng

10