Tiểu luận: Kiến trúc máy tính - Smartphone - Samsung - HĐH Android

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH

----------

TIỂU LUẬN
TÌM HIỂU VỀ KIẾN TRÚC SMARTPHONE,
KIẾN TRÚC BỘ VI XỬ LÝ VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH
ANDROID

Hà Nội, 02/2017

MỤC LỤC


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 2


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, điện thoại di động đã trở thành một trong những công cụ liên lạc thiết
yếu của con người. Không chỉ thế, ngoài chức năng liên lạc, cùng với sự phát triển của
công nghệ, kết nối toàn cầu, điện thoại di động còn được trang bị nhiều ứng dụng giải
trí, định vị, mua sắm, thanh toán trực tuyến,…
Sự bùng nổ về cả số lượng và chất lượng của smartphone một lần nữa khẳng định

vị trí quan trọng của nó trong cuộc sống. Và tất nhiên, những nhà kinh doanh nhạy bén
sớm tận dụng xu thế này để quảng bá và bán sản phẩm của mình và đã nhận được sự
hưởng ứng tốt từ người tiêu dùng.
Sự cạnh tranh của các nhà sản xuất cũng khiến cho lượng điện thoại trên thị
trường càng phong phú cả về số lượng lẫn chất lượng, hình thức mẫu mã đa dạng. Nổi
bật nhất phải kể đến Samsung, một trong những nhà sản xuất luôn dẫn đầu với số
lượng bán ra đáng kể. Theo thống kê Q1-2017 mới đây của IDC, hệ điều hành Android
chiếm tới 85% thị phần (iOS chiếm 14.7%), phần lớn là do có rất nhiều những ưu việt
cho người dùng trải nghiệm với kho ứng dụng khổng lồ Google Play.
Tiểu luận “Tìm hiều về kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và Hệ
điều hành Android”, được sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS.Nguyễn Kim Khánh,
nhóm chúng em đã cố gắng hoàn thành các nội dung đặt ra. Tuy nhiên vẫn còn những
thiếu sót không thể tránh khỏi. Xin cảm ơn sự giúp đỡ của Thầy trong suốt quá trình
tìm hiểu và hoàn thành tiểu luận.
Hà Nội, tháng 12 năm 2017

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 3


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu, chữ viết tắt

1

Mobilephone

Điện thoại di động

2

Smartphone

Điện thoại thông minh

3

CPU

Bộ vi xử lý

4

GPU

Chip xử lý đồ họa

5

RAM

Bộ nhớ

6

SoC

Chíp tích hợp (system-on-a-chip)

7

HĐH

Hệ điều hành

8

PCB

Printed Circuit Board

9

XNK

Xuất nhập khẩu

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Ý nghĩa

Trang 4


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

A. ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, Công nghệ đã và đang thay đổi sâu sắc cuộc sống hàng này, hiện hữu
khắp nơi chạm vào từng ngõ ngách đời sống, giúp cuộc sống thêm năng động, hiệu
quả và tập trung hơn vào những thứ bạn muốn, cần tới và cảm nhận được. Mobile
phone (bao gồm Smartphone) trở thành một trong những vật dụng thiết yếu của con
người. Từ đơn thuần là chức năng liên lạc, cùng với sự phát triển của công nghệ, kết
nối toàn cầu, điện thoại di động ngày nay được trang bị nhiều tính năng, ứng dụng
phục vụ công việc, lập lịch, an ninh, giải trí, định vị, dẫn đường, mua sắm, thanh toán
trực tuyến,… Smartphone cũng chính là tác nhân giúp toàn bộ ngành công nghiệp
khác thay đổi, như nhà thông minh, thực tế ảo, , phương tiện bay không người lái,…
Thế giới hiện đang có 4 tỷ người sở hữu smartphone. Mỗi năm, thiết bị này mang lại
hàng trăm tỷ USD doanh thu.

Hình 1. Dự báo 90% dân số thế giới (độ tuổi<6) sẽ có 1 mobile phone vào năm 2020

Trong tổng số hàng chục nghìn doanh nghiệp XNK của nước ta, 3 doanh nghiệp
dẫn đầu về trị giá kim ngạch đều thuộc Tập đoàn Samsung. Dù chưa có những đánh
giá, thống kê cụ thể, đầy đủ, nhưng có thể thấy rằng vai trò, sự ảnh hưởng của Tập
đoàn Samsung đến nền kinh tế Việt Nam đang và ngày càng lớn. Ảnh hưởng đó tác
động đến việc hết tháng 5/2017, Hàn Quốc đã vượt Hoa Kỳ trở thành đối tác thương
mại lớn thứ 2 của Việt Nam (chỉ sau Trung Quốc) chiếm tới 14,7% tổng trị giá kim
Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 5


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

ngạch xuất nhập khẩu cả nước; đồng thời vượt Trung Quốc để trở thành thị trường
nhập siêu lớn nhất của Việt Nam.

Hình 2. Kết quả kinh doanh của Samsung Việt Nam trong 5 năm trở lại đây

Nghiên cứu về Công nghệ Smarphone là tìm hiểu …. không những góp phần …
mà còn

2. Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, nhóm nghiên cứu tập trung vào kiến trúc
cơ bản của smartphone, trong đó tập trung nghiên cứu dòng thiết bị Samsung Galaxy,
cụ thể là dòng Samsung Galaxy S6. Nghiên cứu liên quan đến lịch sử, thị trường, phần
cứng, vi xử lý và hệ điều hành Andoid gốc sử dụng trên thiết bị Galaxy S6; qua đó so
sánh với một số dòng điện thoại/HĐH khác .

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 6


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

B. NỘI DUNG
CHƯƠNG I.

KIẾN TRÚC
Telephone
Telephone (1876)
(1876)

Mobilephone
Mobilephone (1973)
(1973)

Smartphone
Smartphone (1993)
(1993)

Future
Future phone
phone

SMARTPHONE
1.1.1. Sơ lược về Smartphone

1.1.1.1. Lịch sử Smartphone
Năm 1876, Alexander Graham Bell nhận bằng sáng chế ra điện thoại



(Telephone).
Từ những chiếc điện thoại ban đầu với thiết kế thô sơ chỉ có 2 đầu: một
ống nói và một ống nghe, đến sự ra đời tiếp sau đó của những chiếc bốt
điện thoại. Bốt điện thoại báo hiệu một xu hướng của tương lai khi mà
chúng giúp bạn có thể gọi cho bất cứ ai khi đi trên đường. Đây chính là tiền
đề để các mẫu điện thoại tiến gần hơn đến “mốc” di động.

Hình 3. Chiếc
điện thoại đầu
tiên

Năm 1967, Bell tạo ra chiếc điện thoại có thể “di động”



đầu tiên có tên Carry phone.
“Carry phone” là chiếc điện thoại đầu tiên được cho là “có thể di
động”, đánh dấu một bước tiến gần hơn đến mẫu điện thoại di động
nguyên bản. Tuy nhiên, nó vô cùng bất tiện khi hộp máy to và nặng tới 4-

Hình 4. Điện thoại “di

5 kg trong khi giá thành lại rất cao nên hầu như không được phổ biến

động" đầu tiên
Carryphone

rộng rãi.

Năm 1973, Motorola ra đời chiếc Điện thoại di động đầu



tiên (Mobilephone) Motorola DynaTAC 8000x.
Mẫu điện thoại cầm tay đầu tiên Motorola Dyna Tac được “trình làng”
thực sự đã làm công chúng kinh ngạc và đầy sửng sốt mặc dù trông nó
giống như một “cục gạch” nặng nề với hình dáng thô kệch và vô cùng bất
tiện khi mang theo.

Hình 5. Motorola

DynaTAC 8000x

1993 – IBM tạo ra smartphone đầu tiên có tên IBM


Simon

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 7


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android



1999 - RIM tạo ra Blackberries



2000 – Symbian Ltd. ra đời HĐH Symbian



2007 – Apple giới thiệu iPhone 1 và HĐH iPhone chạy
OS X (chưa có tên chính thức)
Chiếc điện thoại iPhone của Apple ra đời đã đánh dấu sự sáng tạo
đột phá, nó đã tạo nên cơn sốt chưa từng có từ khi xuất hiện và chính

Hình 6.

Smartphone IBM
Simon

thức khởi đầu cho một cuộc cạnh tranh quyết liệt giữa các hãng trong
phân khúc dòng điện thoại thông minh (smartphone).



2008 – Apple phát hành bản iOS đầu tiên (iOS3.1.3)



2008 - Android v1.0 (chưa có mã chính thức)

Hình 7. iPhone 1
(iPhone 2G)

…
Ngày nay – iPhone 8 & iphone X (iOS 11.2), Samsung Galaxy S8 & S8



Plus cùng Android 8.1 (Oreo)
Khi Apple tạo ra chiếc điện thoại cảm ứng đầu tiên, nó đã dần thay thế chức năng
của một chiếc máy tính. Kể từ thời điểm đó đến nay, smartphone đã không ngừng phát
triển cả về công nghệ và kiểu dáng. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, đặc
biệt là công nghệ thực tế ảo, những chiếc smartphone tương lai sẽ còn thay thế chức
năng của nhiều sản phẩm khác.
Ngày nay, điện thoại di động/smartphone đã trở thành một phần không thể thiếu
trong cuộc sống của con người. Các thương hiệu sản xuất smartphone hàng đầu trên

thị trường có thể kể đến như Nokia, Blackberry, Samsung, LG, Sony Ericsson,
Motorola…
1.1.1.2. Phân biệt điện thoại và Smartphone
Những tính năng chính của Smartphone phân biệt với điện thoại di động được liệt
kê như sau:


Hệ điều hành: Nói chung, Smartphone phải có một hệ điều hành (OS)
cho phép nó chạy các ứng dụng. Các HĐH phổ biến cho Smartphone là: iOS,
Android, BlackBerry OS, Symbian, webOS, Windows Phone.



Ứng dụng (Apps): Điện thoại di động cũng có thể có sẵn một số ứng
dụng (ví dụ, phần mểm quản lý danh bạ thông minh, to-do list), tuy nhiên

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 8


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Smartphone có khả năng làm được nhiều hơn. Các ứng dụng của smartphone rất
nhiều và đa dạng, đồng thời smartphone cho phép lập trình/cài/tải thêm ứng dụng từ
các nguồn khác nhau.


Truy cập Web: duyệt web tốc độ cao thông qua wifi, 3G hoặc 4G.



Email/chat: Smartphone có thể nhận và gởi email, chat và tùy chỉnh
nhiều hơn điện thoạ thông thường.
Đây mới chỉ là một số tính năng làm cho Smartphone thông minh. Tuy nhiên, 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.
1.1.2. Kiến trúc cơ bản Smartphone

Một Smartphone thông thường bao gồm các thành phần cơ bản sau:


Bộ Vi xử lý (Processors/System-on-a-chip)



Bộ Xử lý Đồ họa (Graphics/GPU)



Bộ nhớ (Memory & Storage)



Màn hình (Displays)



Pin (Batteries)



Cameras



Các kết nối (Connectivity)



Các cảm biến (Sensors)



Các thành phần khác ...
Hình 8 thể hiện các thành phần 1 kiến trúc Mobilephone cơ bản.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 9


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 8. Chức năng của một GSM Mobilephone cơ bản

Smartphone có nhiều thành phần phức tạp hơn, do đó sẽ bổ sung thêm nhiều khối
chức năng. Kiến trúc một smartphone cơ bản như hình dưới đây. Chúng ta sẽ tìm hiểu

chi tiết các thành phần này trong mục tiếp theo.

Hình 9. Sơ đồ phân rã chức năng của 1 Smartphone
Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 10


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Một smartphone hiện đại được ví như một máy tình thu nhỏ, thậm chí nhiều chức
năng hơn một máy tính thông thường. Do đó, cấu tạo của các smartphone ngày nay
liên tục thay đổi và ngày càng phức tạp do phải bổ sung nhiều chức năng tinh vi hơn.
1.1.1.1. Bo mạch chính/Bảng mạch điện tử (Printed Cirruit Board - PCB)
Bo mạch chính của 1 smartphone là nơi chứa những thành phần/bộ phận quan
trọng nhất của smartphone, thông thường chứa 3 thành phần chính như sau:


Bộ xử lý ứng dụng (Application Processor)



Bộ xử lý Tín hiệu/Băng tần (Baseband Processor)



Các thành phần ngoại vi để tương tác với Người dùng

Sơ đồ khối của Bo mạch chính như hình vẽ:

Hình 10. Sơ đồ khối bảng mạch (PCB) của một smartphone cơ bản

Nhìn vào kiến trúc bảng mạch smartphone (Printed Circuit Board-PCB), ta thấy có
3 khối chức năng chính: Bộ xử lý ứng dụng (Application Processor) với nhiệm vụ
trung tâm điều khiển phần mềm, Bộ xử lý Băng tần (Baseband Processor) dùng để xử
lý hoạt động thu phát tín hiệu và các điều khiển ngoại vi để tương tác với người dùng.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 11


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Đây là bảng mạch thực tế của smartphone Apple iPhone 4s (vị trí của Bộ xử lý
ứng dụng trong vòng tròn màu đỏ)

4s
Hình 11. Vị trí Bảng mạch (PCB) trên iPhone 4s

1.1.1.1.1 Bộ xử lý ứng dụng (Application Processor)
a. Nhiệm vụ:


Là Trái tim của Smartphone, cho phép Smartphone chạy Hệ điều hành
smartphone như Android, iOS và Windows Mobile, điều khiển, xử lý các ứng dụng,
v.v… Trước đây, Bộ xử lý ứng dụng bao gồm nhiều thành phần riêng lẻ trên bảng
mạch, ngày nay, Bộ xử lý ứng dụng được tích hợp trong một khối chính là SoC.



Được tối ưu hóa để chạy một số ứng dụng người dùng. Nhấn mạnh vào
xử lý đa phương tiện (audio / video / hình ảnh tĩnh / 2D / 3D).



Không xử lý băng tần (baseband - truyền thông không dây)
b. Các thành phần chính:



Bộ Vi xử lý (ví dụ bộ vi xử lý dựa trên ARM) được tối ưu hóa cho mức
tiêu thụ năng lượng tối thiểu



Engine đồ họa là phần cứng chuyên dụng dùng để xử lý các thao tác đồ
họa, tương thích với nhiều chuẩn đa phương tiện (ví dụ: Module JPEG, Module
MPEG, Module Âm thanh)

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 12


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android



Giao diện thiết bị dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi (ví dụ: Bàn

phím, USB, thẻ nhớ, máy ảnh, màn hình,…)
c. Sơ đồ hoạt động:
Sơ đồ khối của Bộ xử lý ứng dụng như hình sau:

Hình 12. Sơ đồ khối của Bộ xử lý ứng dụng

Hình dưới đây cho thấy Vị trí của Bộ xử lý ứng dụng và Bộ xử lý Băng tần trên
Bảng mạch Samsung Galaxy S6.

Bộ xử lý băng tần
Shannon 333 +
Flash Memory
(KLUBG4G1BDE0B1)

Bộ xử lý ứng
dụng + DRAM
(Samsung Exynos
7420
K3RG3G30MM-

Hình 13. Bộ xử lý ứng dụng và Bộ xử lý Băng tần trên Samsung Galaxy S6

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 13


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Tương tự đối với các điện thoại của Apple như trong hình sau (vị trí của Bộ xử lý

ứng dụng trên Bảng mạch iPhone 4s màu đỏ)

GSM/GPRS Front EndGSM/W-CDMA
Module
Transceiver
Bộ thu phát Bluetooth
Con quay hồi chuyển 3-axis gyroscope

Bộ thu phát
GPS

Bộ khuếch đại
Apple A4
Bộ khuếch đại
Chip
W-CDMA Front End Power
ModuleAmplifier
Application Processor
Quad-Band GSM/GPRS/EDGE
Power Amplifier

Hình 14. Vị trí Bộ xử lý ứng dụng trên bảng mạch iPhone 4s

1.1.1.1.2 Bộ xử lý Băng tần (Baseband processor)
a. Nhiệm vụ:

Nó có một bộ giao thức kết nối (communication protocol) kiểu ngăn xếp



để xử lý các loại công nghệ không dây khác nhau như LTE, WCDMA, CDMA,
ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi ...
Nó cung cấp các chức năng liên quan đến truyền thông vô tuyến: điều



chế tín hiệu (signal modulation), dịch chuyển băng tần (RF shifting), mã hóa / giải
mã, vv
b. Các thành phần chính
RF front end: một thành phần để nhận và truyền trên các tần số khác


nhau


Băng tần Analog (Analog baseband): một giao diện giữa miền kỹ thuật
số và miền tương tự

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 14


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android



Băng tần kỹ thuật số (Digital Baseband): một thành phần xử lý các lớp
cao hơn của các giao thức bằng cách sử dụng Bộ xử lý tín hiệu số
Sơ đồ khối của Bộ xử lý Băng tần như sau:

c. Sơ đồ hoạt động:

Hình 15. Sơ đồ hoạt động của Bộ xử lý Băng tần (Baseband Processor)

Hình dưới đây cho thấy Vị trí của Bộ xử lý ứng dụng và Bộ xử lý Băng tần trên
Bảng mạch iPhone 4s.
Bộ nhớ
Màn hình cảm ứng (Touch screen)
Bộ xử lý Băng tần (Baseband Processor)
(Flash Memory)

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 15

Bộ Mã hóa/giải mã âm thanh
Quản lý điện năng
RAM (Mobile DDR SDRAM)
(Audio Codec)
(Power Management Unit)


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 16. Bộ xử lý Băng tần trên bảng mạch iPhone 4s

1.1.1.2. Bộ vi xử lý (Processors)
Bộ vi xử lý bên trong Smartphone có thể được xem như não bộ,
một trong những phần tử cốt lõi nhất của thiết bị. Có thể hình dung
đây là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập

trước, một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transistor với kích thước siêu nhỏ.
Thường thì tốc độ xử lý của Smartphone phụ thuộc vào tốc độ và cấu trúc của các
Processors.
Ngày nay, thị trường smartphone có nhiều hãng sản xuất lớn như Apple, Samsung,
Nokia, HTC, LG, Motorola, Google,…, mỗi loại có một đặc điểm/ưu/nhược riêng.

Hình 17. Một số vi xử lý thông dụng

Công nghệ phát triển vi xử lý đang là một trong những công nghệ phát triển mạnh
mẽ nhất thế giới smartphone.Tại thời điểm 2008 snapdragon S1với công nghệ 65nm là
một bước đột phá lớn tại thời điểm đó, sau 10 năm, snapdragon 835 với tiến trình
10nm đã ra đời với hiệu năng tuyệt vời với những tác vụ: load game, ứng dụng hay trải
nghiệm đồ họa 3D hầu như không gây ra bất kỳ độ trễ nào

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 16


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 18. Vai trò của Bộ vi xử lý trong một smartphone hoàn chỉnh

1.1.1.1.1.System-on-a-Chip (SoC)
Ngày nay, khi nói về các bộ Vi xử lý bên trong một
chiếc smartphone, nghĩa là đề cập đến System-on-a-Chip
(Hệ-thống-trên-một-chip, viết tắt là SoC): một chipset tích
hợp có các tính năng như nhân xử lý thực sự, chipset đồ
hoạ, RAM và cả ROM, bộ điều khiển giao diện cho mọi
thứ như USB và công nghệ không dây.v.v.,.

Hình 19. SoC Chip

Ý tưởng đằng sau một hệ thống-on-a-chip, hay SoC, là tất cả các thành phần quan
trọng của một thiết bị được đặt trong một diện tích nhỏ (all-in-one). Nó nhằm làm
giảm kích thước của chúng trên bo mạch đồng thời tối ưu hóa cho chúng chạy nhanh
hơn, tiêu hao ít điện năng hơn. Kết quả cuối cùng mà nhà sản xuất quan tâm nhất đó là
chi phí lắp ráp và người dùng nhận được sản phẩm nhỏ gọn thẩm mỹ, giá rẻ.
Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 17


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Kiến trúc cơ bản của một SoC được mô tả như hình dưới dây, trong đó:


CPU: Bộ vi xử lý chính, điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.



Hệ thống BUS (bus system): Là cầu nối phục vụ cho mục đích truy xuất
dữ liệu đến một thành phần trong hệ thống. Trong một SoC phức tạp, sẽ có nhiều hệ
thống bus được nối với nhau và với các module khác nhau. Các BUS này sẽ có tầng
số hoạt động khác nhau ứng với module mà nó kết nối (Giống như việc chạy xe trên
đường cao tốc và trong nội thành). Có thể tìm hiểu về kiến trúc AMBA BUS (AHB,
APB, AXI) (AMBA = Advanced Microcontroller Bus Architecture)
INTC (Interrupt Controller): Điều khiển ngắt cho hệ thống. Đối với một



số kiến trúc ARM CPU, INTC là một thành phần gắn liền (đi kèm với CPU).
Peripheral: Các module có sự tương tác trực tiếp với một module bên



ngoài khi kết nối với chip, ví dụ như USB2.0 controller hoặc ADC (Analog to
Digital Converter)


RAM controller: Điều khiển bộ nhớ ngoài của chip



Clock và Reset: Bộ điều khiển xung clock và reset của hệ thống



Bộ điều điểu khiển IN/OUT:Điều khiển trạng thái của từng pin là input
hoặc ouput ứng với một chức năng cụ thể nào đó của từng module.



Các module thông dụng như Timer, WatchDog, DMAC, ..



Ngoài ra, trong SoC không thể thiếu các module xử lý chính phục vụ cho
một mục đích cụ thể nào đó. Ví dụ SoC xử lý về âm thanh, hình ảnh, sẽ có những
module được thiết kế tương ứng để phục vụ cho việc xử lý âm thanh và hình ảnh

riêng biệt.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 18


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 20. Sơ đồ khối của Vi xử lý dựa trên kiến trúc ARM Cortex V8 (Galaxy S6)

1.1.1.1.2.Kiến trúc ARM
Kiến trúc vi xử lý ARM (viết tắt của Advance RISC Machine) là một trong những
lõi xử lý được kế thừa (extensive) và cấp phép (licensed) rộng rãi nhất thế giới. Bộ vi
xử lý ARM đầu tiên được Cambridge University phát triển năm 1978 và bộ xử lý
ARM RISC đầu tiên được sản xuất bởi Tập đoàn Acorn trong năm 1985. Các bộ xử lý
này được sử dụng cụ thể trong các thiết bị di động như máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại
di động, mạng gia đình Module và công nghệ truyền thông không dây và các dự án hệ
thống nhúng khác do các lợi ích, chẳng hạn như tiêu thụ điện năng thấp, hiệu suất hợp
lý, vv
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, máy trò chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) cho đến các
thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Một nhánh nổi tiếng của
họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel.
Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 19

Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Kiến trúc ARM là nền tảng cho kiến trúc hầu hết các bộ vi xử lý trong các dòng
smartphone tiên tiến như Samsung Exynos 7420 và Apple A8, A9, Qualcomm
Snapdragon 820,….
Có hai loại bộ xử lý ARM được sử dụng rộng rãi: ARM Cortex-A8 và ARM
Cortex-A9 MPCore; cả hai đều sử dụng kiến trúc ARMv7. Cortex-A8 thường được
tìm thấy trong các ứng dụng đơn lõi và Cortex-A9 trong các thiết bị có tới 4 lõi. A9 là
phiên bản mới hơn và thường là đa nhân, tốc độ này nhanh hơn một chút so với bộ xử
lý A8 (2.0 DMIPS / MHz so với 2.5 DMIPS / MHz). ARM cũng làm ra nhân xử lý đồ
hoạ của Mali, mà chúng ta sẽ xem xét trong phần đồ họa trong mục 2.2.1.2.

Hình 21. Kiến trúc ARM bên trong Vi xử lý Apple iPhone A9

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 20


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 22. Kiến trúc ARM CortexTM-A53-A57 trên Vi xử lý Samsung Exynos 7420

Chúng ta sẽ tìm hiểu sâu về kiến trúc ARM trong Smartphone trong mục 2.1.3.
Kiến trúc của ARM-based smartphones
1.1.1.1.3.Vi xử lý Qualcomm và Snapdragon SoCs
Qualcomm hơi khác so với các nhà sản xuất SoC khác vì họ không thực sự sử
dụng thiết kế lõi của bộ xử lý ARM. Thay vào đó, họ lấy kiến trúc từ ARM Cortex-A8
và thực hiện những cải tiến mà họ đưa vào nhân Scorpion và Krait của họ. Qualcomm

có nhiều nghiên cứu và phát triển hơn mô hình TI OMAP, một số bài test cho thấy hoạt
động truyền thông và hiệu suất năng lượng có thể tốt hơn so với Cortex-A8.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 21


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 23. Một sơ đồ khối Vi xử lý của Snapdragon S4 SoCs sử dụng CPU Krait

1.1.1.1.4.Bộ xử lý đồ họa (Graphics/GPU)
GPU là công cụ đồ họa chuyên dụng được thiết kế chủ yếu dành cho đồ họa 3D,
đồng thời có thể xử lý tốt cả đối tượng 2D. Nó hoạt động dựa trên một mô hình tam
giác kết hợp với thuật toán để đổ bóng các đối tượng tạo ra môi trường 3D trên màn
hình 2D.
Có ba nhà sản xuất GPU di động lớn thời điểm hiện tại gồm ARM với chip Mali,
Qualcomm có Andreno và PowerVR của Imagination.
Sản phẩm GPU của ARM đã trải qua ba phiên bản kiến trúc lớn. Đầu tiên là
Utgard sử dụng trên các dòng chip đồ họa như Mali-400, Mali-470. Tiếp theo đến
Midgard, nền kiến trúc hỗ trợ mô hình đổ bóng hợp nhất và OpenGL ES 3.0. Phiên
bản mới nhất có tên mã Bifrost được sử dụng trên hai dòng GPU là Mali-G71 và MaliG51.
GPU Adreno 530 của Qualcomm dùng cho Snapdragon 820 và 821, trong khi
Snapdragon 835 mới nhất sử dụng Adreno 540. Chip đồ họa 540 dựa trên kiến trúc
tương tự Adreno 530, nhưng được cải tiến một số tính năng và tăng 25% khả năng
trình diễn 3D. Adreno 540 cũng hỗ trợ đầy đủ DirectX 12, OpenGL ES 3.2, OpenCL
2.0, API đồ họa của Vulkan cũng như nền tảng Google Daydream VR.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 22


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

1.1.1.1.5.Đơn vị quản lý bộ nhớ (MMU)
MMU (Memory Management Unit) là đơn vị quản lý bộ nhớ thường được tích
hợp vào CPU hoặc đôi khi là một mạch tích hợp riêng. Nó hỗ trợ ánh xạ từ địa chỉ bộ
nhớ ảo ra địa chỉ bộ nhớ vật lý. Cụ thể, khi CPU muốn truy suất tới địa chỉ bộ nhớ ảo,
MMU sẽ tự động ánh xạ tới một địa chỉ vật lý thực sự.
1.1.1.1.6.Bộ nhớ đệm cache L1 và L2
Bộ nhớ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên – Random Access Memory) có thể đủ
nhanh và rõ ràng vượt trội hơn bộ nhớ trong, nhưng so với tốc độ xử lý của CPU thì nó
còn chậm hơn rất nhiều. Vì thế, hệ thống gặp phải vấn đề là khi CPU cần xử lý cái gì,
nó phải đợi RAM nạp dữ liệu với tốc độ chậm đó. Để giải quyết khác biệt này, SoC
cần tích hợp thêm bộ nhớ đệm địa phương có tốc độ nhanh như CPU. Bản sao lệnh và
dữ liệu từ bộ nhớ RAM sẽ được lưu trữ tại đây giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của
SoC. Dung lượng của bộ nhớ đệm chỉ được tính bằng Kilobyte hoặc Megabyte và chi
phí sản xuất loại bộ nhớ này cao hơn nhiều RAM.

L1
Cache
L2
Cache

Hình 24. Bộ nhớ đệm L1 và L2 được tích hợp trên chip Cortex A57

Bộ nhớ cache chạy ở tốc độ tương tự CPU thuộc cấp độ một và được gọi L1
(Level 1). Đây là bộ nhớ đệm nhanh nhất, gần với CPU hơn cả và mỗi lõi đều sở hữu

cache L1 của riêng nó. Cấp độ thứ hai là L2 dung lượng lớn hơn, chi phí thấp nhưng
Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 23


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

tốc độ lại chậm hơn. Nó phục vụ tất cả các lõi CPU, trở thành bộ nhớ đệm thống nhất
cho toàn SoC.
Tác dụng của L2 là khi dữ liệu yêu cầu không chứa trong bộ nhớ cache L1 thì
CPU sẽ truy suất từ L2 trước khi thử ở bộ nhớ chính. Mặc dù L2 chậm so với L1,
nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ chính, đồng thời hỗ trợ lưu trữ nhiều dòng
lệnh và dữ liệu hơn L1.
Ví dụ thiết kế của lõi Cortex-A72 gồm 48K dung lượng bộ nhớ L1 xử lý câu lệnh
và 32K bộ nhớ L1 lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ SoC sẽ có thêm bộ nhớ L2 cache từ 512K
đến 4MB, tùy nhà sản xuất.
1.1.1.1.7.Bộ xử lý tín hiệu số và ngược lại (DSP và DAC)
DSP viết tắt của cụm từ Digital Signal Processor (bộ xử lý tín hiệu số) là bộ phận
chuyên dụng của phần cứng được thiết kế để xử lý tín hiệu âm thanh. Các tập lệnh của
nó nhỏ hơn so với tập lệnh của vi xử lý nên cần bộ giải mã đơn giản, nhờ thế tốc độ
làm việc sẽ nhanh hơn.

Hình 25. Mô phỏng cơ chế hoạt động của DSP & DAC

Hình dưới đây thể hiện việc DSP và DAC tương tác với các hệ thống bên trong Vi
xử lý.

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 24


Tiểu luận: Tìm hiểu về Kiến trúc Smartphone, kiến trúc bộ Vi xử lý và HĐH Android

Hình 26. Kiến trúc DSP (Digital Signal Processor) truyền thống

DSP của Qualcomm là Hexagon, dù được biết đến như một Bộ xử lý tín hiệu số thì
tính năng đã vượt ra ngoài giới hạn xử lý âm thanh để đảm nhiệm thêm vai trò nâng
cao chất lượng hình ảnh, tăng cường thực tế ảo, xử lý video và các cảm biến.
DAC viết tắt từ cụm từ Digital to Analog Converter (bộ chuyển đổi tín hiệu số
sang Analog) có nhiệm vụ nhận dữ liệu số từ file âm thanh rồi chuyển đổi sang dạng
sóng để gửi đến tai nghe hoặc loa, từ đó phát ra âm thanh tai người có thể nghe được.
DAC tốt là loại tái tạo tín hiệu sang dạng âm thanh hiệu quả nhất, ít nhiễu.

Hình 27. Sơ đồ hoạt động của DAC

Kiến trúc máy tính tiên tiến

Trang 25