PSP vs Nintendo DS. Microprorcesadores para Comunicaciones Jesús Carmelo de la Cruz Estévez V

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1 PSP vs Nintendo DS Microprorcesadores para Comunicaciones Jesús Carmelo de la Cruz Estévez V

2 Índice de contenido Introducción PSP (PlayStation Portable) Descripción General Presentación del Sistema Descripción del hardware Características del microprocesador Nintendo DS (Nintendo Dual Screen) Descripción General Presentación del Sistema Descripción del Hardware Características del microprocesador Comparativa Referencias Índice de figuras Ilustración 1: Consola PSP... 3 Ilustración 2: Sistema Hardware PSP... 5 Ilustración 3: Consola Nintendo DS... 9 Ilustración 4: Sistema Hardware Nintendo DS Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 2

3 Introducción Este trabajo pretende analizar el sistema hardware de la PSP y Nintendo DS, describiendo que elementos hardware lo componen (microprocesador, memorias, procesadores de audio y video, etc.), resaltando las características principales de algunos de sus componentes, así como algún comentario acerca de las funciones que desempeña el componente dentro de la consola. Todo esto con el propósito de realizar una comparativa entre las dos consolas, para intentar en la medida de lo posible llegar a una conclusión sobre la potencia de las mismas. PSP (PlayStation Portable) Descripción General Ilustración 1: Consola PSP La PSP es una consola de la empresa SONY que desde hace tiempo se ha dedicado al mundo de los videojuegos, sin embargo esta es la primera consola portable que ha sacado la empresa al mercado. Fue lanzada al mercado el 12 de diciembre de 2004 en Japón, el 24 de marzo de 2005 en Norteamérica y el 1 de septiembre del mismo año en Europa, Australia y Nueva Zelanda. Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 3

4 La videoconsola consta de: - Ranura para tarjetas de memoria Memory Stick Pro Duo - Reproductor de discos ópticos UMD (Universal Media Disc), que puede contener hasta 800MB y 1,6 GB grabado en doble capa. - Salida para TV - Pantalla en formato panorámico (16:9) de 4 pulgadas con una definición de píxeles, capaz de mostrar una gama cromática de colores - Altavoces estéreo integrados - Capacidad para reproducir varios formatos multimedia como por ejemplo el MP4 de video, entre otros formatos - Reproducción de audio en MP3, entre otros formatos - Visor de fotos en formato jpeg, entre otros formatos - USB Conexión Wi-Fi IEEE b, para acceso a internet, conexión en red, ya sea vía internet o Ad-HOC para jugar desde 2/16 usuarios de PSP simultáneamente - Permite la conexión con PlayStation 3 - Videojuegos 3D - Batería de litio de 1800mAh (1200mAh en los últimos modelos), con una duración de entre 2 y 6 horas - Botones típicos para jugar y manejar la consola - Permite también la conexión de accesorios como: Cámara de video con micrófono de 1.3 megapíxeles "Chotto Shot", receptor de señal GPS, receptor de TV digital y PSP Headset, incluido con ciertos títulos. Los auriculares tienen capacidad para mando a distancia Estos elementos varían dependiendo del modelo de la consola, pudiendo tener en alguna de sus versiones conexión inalámbrica mediante infrarrojos, micrófono e incluso bluetooth, así como la calidad de la pantalla y la potencia de la batería. Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 4

5 Presentación del Sistema El diseño a nivel de sistema de la PSP es el siguiente: Ilustración 2: Sistema Hardware PSP En esta imagen vemos que elementos hardware componen la PSP y como están interconectados entre ellos. Apreciamos que están separados los elementos más lentos como son el USB, Memory Stick, botones, etc. De lo que seria los elementos más rápidos como los procesadores principales, memorias del sistema, interfaz de audio, etc. Mediante una interfaz de adaptación (DMAC), para no ralentizar el bus principal con los elementos más lentos del sistema. Se puede apreciar que el dispositivo dispone de dos microprocesadores, estos estan basados en el MIPS R4000, el procesador es el Alegrex, uno de los cuales viene acompañado de unas unidades de coprocesamiento: una unidad de punto flotante y una unidad de punto flotante vectorial. Tiene también un unidad de procesamiento de audio, un decodificador de video H264 de apoyo al otro procesador, una unidad de gráficos para manejo de la pantalla y procesado 3D, además de las típicas memorias donde van almacenado el kernel y para almacenamiento de los datos a procesar y Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 5

6 leídos de los dispositivos externos, como el UMD que es la fuente a través de la cual se insertan los juegos. Descripción del hardware Procedemos ahora a analizar de forma más detallada los diferentes componentes mostrados en la figura anterior: La estructura está dividida en dos partes que vienen determinadas por las tareas que realizan los dos procesadores MIPS R4000 de 32 bits, como se aprecia en la figura a uno se le denomina CPU Core y al otro Media Engine. El CPU Core es el encargado de controlar las funciones de tratamiento de las imágenes de los videojuegos apoyándose en las unidades FPU y Vector FPU junto con el core de gráficos, mientras que el Media Engine se encarga controlar las funciones de decodificación de audio y video mediante las unidades VME y AVC Decoder respectivamente. Vamos a especificar algunas características técnicas de estas unidades hardware en las que se apoyan los dos procesadores para realizar sus tareas asignadas: - Hardware de apoyo del CPU Core: FPU Unidad de punto flotante vectorial a 2.6 GFLOPS Procesador Gráfico (GPU): Velocidad configurable entre 1 y 166 MHz Tensión de alimentación de 1.2 V Velocidad por defecto 111 MHz 2 MB de edram (VRAM) Bus de 256-bit a una velocidad de 5.3 Gbps Soporta renderizado de polígonos y NURBS Iluminación direccional por hardware Environment projection y texture mapping Compresión de texturas y mosaicos Niebla, alpha blending, depth y stencil test Vertex blending para efectos de morphing y dithering Todo en 16 o 24 bits de profundidad de color (RGBA) También maneja la salida de vídeo El sistema es capaz de mover unos 33 millones de polígonos iluminados y tratados, con un ratio de 664 millones de píxeles por segundo Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 6

7 - Hardware de apoyo del Media Engine: FPU Decodificador hardware MPEG-4 (H.264/AVC) para video Procesamiento de sonido Virtual Mobile Engine (VME) DSP Reconfigurable Velocidad variable entre 1 y 166 MHz Tensión de alimentación 1.2 V Velocidad por defecto 166MHz Bus de 128-bit 24-bit Data Path 5 GFLOPS Con ello conseguimos reproducir los formatos de audio: ATRAC3 plus, AAC, MP3, WMA, reproducir video en mp4 y los siguientes formatos de imagen: JPEG, GIF, TIFF, BMP y PNG. Características del microprocesador Basado en el MIPS R4000 de 32-bit Usando una tecnología CMOS de 90 nm Frecuencia de funcionamiento variable entre 1 y 333 MHz Tensión de alimentación de 1.2 V 16 KB de Cache de Instrucciones / 16 KB de Cache de Datos Bus de comunicación de 128 bits a 2.6 Gbps El CPU Core tiene además una extensión del juego de instrucciones para tratamiento de gráficos 3D - Caracteristicas del procesador MIPS R4000: Procesador RISC escalar de supersegmentado con 8 etapas de pipeline de enteros Arquitectura Harvard de 32 bits Memoria cache de entre 8KB y 32KB Cache secundaria que puede configurarse como una cache mixta o seprada para instrucciones y datos Dispone de 64 bits para direccionamiento de memoria virtual aunque está limitado a 40 bits por lo que puede manejar 1 TB de memoria virtual Dispone de 36 bits para direccionamiento de memoria física por lo que es capaz de manejar 64 GB de memoria física Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 7

8 Contiene una ALU con un carry-select adder, una unidad de operaciones lógicas, un desplazador, un multiplicador y un divisor El desplazador es de 32 bits, pero permite realizar desplazamientos de 64 bits en dos ciclos parando el pipeline, esto ha sido así para ahorrar área El multiplicador y el divisor no están segmentados, teniendo latencias importantes en estas operaciones, 10 y 20 ciclos para multiplicaciones de enteros de 32 y 64 bits respectivamente, mientras que tiene entre 69 y 133 para divisiones de 32 y 64 bits para divisiones con enteros Unidad de Punto Flotante R4010: Puede operar en 32 o 64 bits 32 registros en operaciones de precisión simple (32 bits) y 16 para operaciones de doble precisión (64), es decir se emparejan los registros de 32 bits Contiene un sumador, un multiplicador y un divisor Puede trabajar en paralelo con la ALU del MIPS R4000 siempre y cuando no haya dependencia de datos El multiplicador y el divisor pueden ejecutar una operación en paralelo con el sumador siempre y cuando no hayan problemas de solapamiento en el cauce de ejecución puesto que la multiplicación y la división usan el sumador en sus últimas etapas de ejecución El multiplicador y el sumador están segmentados Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 8

9 Nintendo DS (Nintendo Dual Screen) Descripción General Ilustración 3: Consola Nintendo DS Esta consola de la empresa Nintendo se caracteriza principalmente por incluir una pantalla táctil con la que se juega a todos sus juegos, cambiando así la concepción de video consola que hasta ahora habíamos tenido, además con esto ha conseguido abrir un gran camino a muchas empresas de videojuegos para desarrollar juegos distintos que antes no se hubiesen podido hacer, o no por lo menos de la forma que los realizan ahora. Su lanzamiento fue en 2004 para Norteamérica y Japón, y e 2005 para Australia y Europa. - La videoconsola consta de: Dos pantallas de 3 pulgadas de tipo TFT LCD con una resolución de 256 x 192 pixels, capaz de mostrar una gama cromática de colores La pantalla inferior es una pantalla táctil de tipo resistiva que no es multitouch WIFI b solo compatible con encriptado tipo WEP, para jugar en red y conexión a internet Slot de expansión en la parte frontal Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 9

10 Slot de cartuchos de juego, los cuales contienen una memoria ROM para almacenar el juego y a veces contiene una pequeña FLASH EEPROM para guardar datos del jugador. La capacidad de estos cartuchos varía entre 8 MB y 512MB aunque su capacidad máxima es desconocida Típicos botones de uso de la consola Micrófono Batería de litio de 850mAh con una duración de hasta 10 horas en condiciones ideales En versiones más modernas se han incluido más prestaciones Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 10

11 Presentación del Sistema El diseño a nivel de sistema de la Nintendo DS es el siguiente: Ilustración 4: Sistema Hardware Nintendo DS Como se puede apreciar la Nintendo DS básicamente consta de dos procesadores, un ARM9 y un ARM7, acompañados muchos bancos de memoria cada uno de los cuales Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 12

12 tiene una función determinada y memorias RAM, además de tener interfaces para la conexión de periféricos como son las pantallas, el slot de cartucho de juego, pantalla táctil, etc. Descripción del Hardware Memoria principal (4MB) Almacena los ejecutables, datos de juego en curso que se obtienen de acceder a la memoria de los cartuchos de juego. Procesador ARM 9 ( 32bits / 66Mhz ) Recoge las instrucciones de memoria principal, y cuenta con una caché de 32KB para instrucciones y otra de 16KB para datos. Por lo general, este procesador es el encargado de llevar las riendas del programa, ejecutar la lógica del juego, gestionar los recursos, etcétera. Procesador ARM 7 ( 32 bits / 33Mhz ) Para minimizar el acceso a memoria principal, al ARM 7 tiene acceso a una pseudocaché 'IWRAM' de 64KB para instrucciones y datos. Este procesador suele gestionar el audio e input (botones, touchscreen, WIFI), haciendo las funciones de un DSP a veces. Por lo tanto, es recomendable que los ejecutables para el ARM7 sean pequeños y quepan totalmente en la IWRAM. Las aplicaciones para la consola requieren usar dos ejecutables diferentes: uno para el ARM9 y otro para el ARM7. El último normalmente será 'esclavo' del primero, y atenderá sus peticiones en cuanto a playback de sonidos, lectura del touchscreen, etc. Por tanto, es necesario algún mecanismo para que ambos procesadores puedan comunicarse entre sí. La manera típica de comunicación entre ambos es usar los dos bancos de memoria compartida etiquetados como 'wram' en el esquema. Cada banco posee 16KB y sólo está disponible para un sólo procesador a la vez. Alternando el acceso a cada banco, se puede implementar un sistema de paso de mensajes para por ejemplo transferir paquetes de red o buffers de sonido. Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 13

13 DMA El DMA, o 'acceso directo a memoria' permite la lectura y escritura de la memoria principal sin la intervención de la CPU. Las operaciones DMA pueden ser en modo síncrono (la CPU permanece bloqueada hasta que la operación termina) o asíncrono. Si usamos el modo asíncrono permitimos que la CPU pueda seguir trabajando mientras la transferencia de datos se produce. Éste último modo es el utilizado por los SO modernos para permitir p.ej. que se pueda estar reproduciendo un vídeo y a la vez grabando un CD sin saturar la CPU. Sin embargo, la Nintendo DS no tiene un sistema operativo en sí, sino una colección de rutinas BIOS y un puñado de registros que activan ciertas funciones. Por lo que el DMA se debe de manejar manualmente. Los módulos OAM (Object Attribute Memory) son motores gráficos de 2D, permiten el manejo de los sprites y realizar operaciones con los sprites como rotaciones, escalados, máscaras, etc. Usan la memoria VRAM como buffers de almacenamiento. Por ejemplo la VRAM A y la C se asignan a la pantalla táctil y a la pantalla superior respectivamente Características del microprocesador - ARM7TDMI La velocidad de funcionamiento en la Nintendo DS es de 33 MHz Procesador tipo RISC con arquitectura Von newman de 32 bits 3 etapas de pipeline Instrucciones de 32 bits, pero acepta modo comprimido de instrucciones (16 bits) Arquitectura de tipo Load/Store Tiene una ALU una unidad de desplazamiento que permite realizar operaciones de ALU y desplazamiento en un solo ciclo No tiene unidad de para realizar la División, pero soporta la operación de multiplicación (implementada en la ALU) aunque esta produce paradas del pipeline Bus AMBA de interconexión Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 14

14 - ARM946E-S La velocidad de funcionamiento en la Nintendo DS es de 66 MHz Procesador tipo RISC con arquitectura Harvard de 32 bits 5 etapas de pipeline Instrucciones de 32 bits con soporte de instrucciones comprimidas Arquitectura de tipo Load/Store Bus AMBA de interconexión No tiene unidad de para realizar la División, pero soporta la operación de multiplicación (implementada en la ALU) aunque esta produce paradas del pipeline Extensión del juego de instrucciones para realizar operaciones de tipo DSP, (MAC) También es capaz de realizar operaciones en punto fijo Comparativa Las dos consolas usan dos procesadores para dar las prestaciones que ofrecen, para ello se reparten las tareas de forma más o menos similar, las tareas más duras e importantes para el procesador más potente o equipado y el resto de tareas para el otro procesador. Sin embargo la arquitectura a nivel de sistema es bien distinta, por un lado la PSP tiene un bus central al que están conectados todos los dispositivos, mientras que la Nintendo DS tiene una arquitectura basada más bien en una comunicación mediante la memoria y uso extensivo de ella para realizar la mayoría de las operaciones. Se puede apreciar que los procesadores de la PSP vienen muy reforzados por unidades de coprocesamiento, tales como FPU, VFPU, así como procesadores de audio, video y gráficos 3D para videojuegos, delegando así muchas de las duras tareas que debe de realizar para conseguir las prestaciones ofrecidas por esta consola y consiguiendo así una mayor potencia en cuanto a calidad grafica de los videojuegos. Mientras que la consola Nintendo DS esta más orientada a juegos en 2D basados en una jugabilidad mediante la pantalla táctil, aunque también soporta juegos en 3D, para ello usa múltiples bancos de memoria para administrar las imágenes que se envían a las pantallas de las que dispone el dispositivo, y para almacenamiento de las imágenes de refresco y poder realizar el procesado necesario de las imágenes. Además los procesadores de la Nintendo DS no delegan sus tareas en otros dispositivos hardware sino que son los propios procesadores quienes realizan casi todas las operaciones para Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 15

15 administrar las tareas requeridas, todas excepto las de tratamiento de gráficos 2D de las que se encarga el OAM y las de gráficos 3D. La velocidad de procesamiento de ambas consolas da indicios también del potencial de cada una de ellas, mientras que la Nintendo DS trabaja con 33 y 66 MHz en cada uno de sus procesadores, la PSP puede trabajar a 333MHz, aunque generalmente trabaje a 222 MHz por motivos de consumo de la batería. El consumo de potencia es mayor en la PSP que en la Nintendo DS, esto es apreciable en las características de la batería teniendo 1200 o 1800 mah en la PSP y 850 mah en la Nintendo DS, esto entre otras cosas es debido a la velocidad de trabajo de los microprocesadores y la calidad de las pantallas, siendo estos dos lo motivos principales de consumo del sistema. En mi opinión la PSP es más potente que la Nintendo DS y esto se ve reflejado en los juegos de ambas consolas, teniendo una mayor calidad gráfica los de la PSP que los de la Nintendo DS, también da más prestaciones que la Nintendo DS, pero también hay que decir que son consolas destinadas a tipos de juegos diferentes y también a usuarios diferentes. La verdad es que cada consola esa bien diseñada bajo el criterio de que cada una se adapta muy bien al objetivo de diseño con el cual se han creado, la PSP ha querido seguir una línea más tradicional en la que los juegos tienen una tendencia hacia el realismo en la calidad gráfica, mientras que la Nintendo DS ha querido dar una perspectiva distinta a la jugabilidad en la que además los juegos están más orientados a ser juegos entretenidos, en los que la calidad gráfica no es tan importante y prima la jugabilidad. Con ello la Nintendo DS ha conseguido además abarcar una cuota de mercado de gente que antes no compraba videoconsolas, puesto que han inventado un dispositivo de juego diferente y con ello han salido juegos con una tematica distinta y la PSP ha seguido con los jugadores tradicionales. Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 16

16 Referencias Jesús Carmelo de la Cruz Estévez Página 17