Myös puettaviin laitteisiin halutaan näyttävä käyttöliittymä animaatioineen, mutta voiko sellaisen toteuttaa pienellä akulla varustetussa laitteessa? Toshiba Electronics Europen uudella TZ1200-prosessorilla se onnistuu.

Houkutteleva suunnittelu, luotettavat toiminnot ja koko päivän kestävä käytettävyys ovat avainominaisuuksia, jotka tekevät uusimmista puettavista laitteista haluttuja arjessamme. Olemme yhä enemmän riippuvaisia näistä laitteista, jotka helpottavat niin monia asioita terveyden seuraamisesta ystävien, perheen ja työkavereiden kanssa viestittelyyn.

Tämän päivän high end -puettavat kuten älykellot ovat rikkaita toiminnoiltaan, sisältävät sofistikoituneen graafisen käyttöliittymän kosketusnäytöllä ja yhteyden älypuhelimeen, tablettiin tai P-tietokoneeseen, mutta niiden puutteena on yleensä erittäin lyhyt, yhden tai kahden päivän toiminta-aika akulla. Toisaalta yksinkertainen aktiivisuusranneke ilman graafista näyttöä on toiminnoiltaan rajallinen, mutta sitä tarvitsee ladata vain kerran viikossa tai jopa kerran kuukaudessa.

Tässä artikkelissa Toshiba tarkastelee erilaisten puettavien laitteiden usein keskenään kilpailevia vaatimuksia ja pohtii, miten suorituskykyinen graafinen käyttöliittymä voitaisiin toteuttaa yhdessä pitkän akkukäytön kanssa hyödyntämällä modernia erittäin vähävirtaista prosessoriarkkitehtuuria ja siihen sisäänrakennettuja grafiikkakiihdyttimiä.

Puettavien laitteiden kysyntä kasvaa nopeasti, koska niillä on niin helppo kerätä, analysoida ja hyödyntää terveys- ja ympäristödataa. Vaikka markkina on vielä melko alkuvaiheessaan, puettavien laitteiden – älykellojen, aktiivisuusrannekkeiden, älylasien, älyvaatteiden, lääketieteellisten laitteiden ja vastaavien – markkinoiden on ennustettu kasvavan yli 150 miljardiin dollariin vuoteen 2026 mennessä (IDTechEx). Osa niistä on verkottuneita, Gartnerin mukaan itse asiassa jo neljä miljardia ja 5,5 miljoonaa uutta joka päivä. Ennusteiden mukaan verkkoon liitettyjä laitteita on 20 miljardia vuoteen 2020 mennessä, mikä tarkoittaa useampia laitteita jokaista ihmistä kohti.

Merkittävä osa kasvusta tulee laitteista, jotka elegantisti tasapainottavat kustannukset, formaatin ja toiminnot. Iso osa niistä on puettavia laitteita.

Houkuttelevan puettavan laitteen kehittämisen avain on luoda jotain, jonka käyttöä ihmiset haluavat jatkaa. Tutkimuksen mukaan puolet aktiivisuusrannekkeista hylätään ensimmäisen puolen vuoden kuluessa. Syynä tähän kiinnostuksen lopahtamiseen on toiminnallisuuden rajoittuneisuus, käytön vaikeus ja epämiellyttävyys, eikä vähiten liian lyhyenä aikana akunlatausten välissä.

Kun prosessoriteknologia kehittyy, koodirakenteista tulee yhä tehokkaampia ja anturien koko pienenee, jolloin on mahdollista lisätä toiminnallisuutta myös ultrapienissä puettavissa laitteissa. Käytön miellyttävyys tarkoittaa usein samaa kuin pitkä käyttöaika akkuvoimalla, joka saavutetaan parantamalla akku-, prosessori- ja näyttötekniikkaa ja älykkäitä tehonhallinnan ratkaisuja. Käyttäjät haluavat puettavia laitteita, joiden toiminta-aika mitataan viikoissa ja jopa kuukausissa ilman, että laitteen toiminnallisuudesta tarvitsee tinkiä.

Yhden toiminnon puettavat laitteet kuten aktiivisuusrannekkeet käyttävät Bluetooth Low Energy -yhteyttä älypuhelimeen datansiirtoon ja laitteen ohjelmistopäivityksiin. Niihin on usein istutettu anturit askelmittaukseen tai optiseen sykemittaukseen. Kerätty data analysoidaan yleensä älypuhelinsovelluksella, jolla ilmaistaan unenlaatu, poltetut kalorit sekä syke jonkin mittausajan yli.

Tämän sektorin keskellä yhden toiminnon laitteiden ja high end -puettavien välissä on seuraava merkittävä puettavan tekniikan kasvualue. Vaikka laitteet ovat älypuhelimia yksinkertaisempia, käyttäjät odottavat näiltä laitteilta muodikkaita värinäyttöjä sekä intuitiivisia ja joustavia käyttöliittymiä. Tässä segmentissä puettavasta laitteesta tulee elämäntapatuote, jota voidaan pitää klassisena, mutta älykkäillä toiminnoilla varustettuna kellona.

Tämän hetken kovin puettavien laitteiden suunnitteluhaaste koskettaa ergonomiaa tai käyttökokemusta, jotka molemmat riippuvat käyttöliittymästä. Ensimmäisissä kannettavissa laitteissa toiminnallisuus oli nykymittapuulla hyvin rajoitettu ja käyttöliittymä monimutkainen: muistatko esimerkiksi Casion laskinkelloa 1980-luvulta? Kun toiminnallisuus lisääntyi, ei enää ole tilaa kasvattaa nappipohjaista käyttöliittymää, joten suunnittelijat ja käyttäjät joutuvat nojaamaan ohjelmistovalikoihin, jotka voidaan toteuttaa viimeisimmällä grafiikalla.

Tähän asti tätä on muodostanut suunnittelijoille ongelman, sillä edistyneempi grafiikka edellytti tehokkaampien, suuremman kellotaajuuden prosessorien käyttöä, mistä seurasi suurempi tehonkulutus. Onneksi ratkaisu on käsillä. Toshiba Electronics Europen uusi sovellusprosessori hyödyntää uutta arkkitehtuuria vastatakseen näihin kilpaileviin vaatimuksiin.

TZ1200-prosessori

Viimeisen lisäys Toshiban ApP Lite -sovellusprosessorien sarjaan puettavia ja muita IoT-laitteita varten on TZ1200-prosessori. Tämä kompakti 8 x 8 x 0,6 -millinen piiri perustuu tehokkaaseen 32-bittiseen ARM Cortex-M4F-prosessoriin, jossa on liukulukuyksikkö, muistinsuojausyksikkö ja joustava, jopa 120 megahertsin kellotaajuudella toimiva keskeytysten prosessointi.  Yhdessä piirille integroidun tehonhallinnan kanssa ydin mahdollistaa sen, että TZ1200-prosessorin tehontarve on vain 70 mikroampeeria megahertsiä kohti aktiivitilassa. 350 milliampeeritunnin akulla, sopivalla tehonhallinnan ohjelmistolla ja vähävirtaisella värinäytöllä päästään akun lataussykleissä älykellosovelluksissa noin kuukauteen.

Kuva 1. TZ1200 on ominaisuuksiltaan monipuolinen, pitkälle integroitu ratkaisu puettaviin laitteisiin.

Yhdessä 2,2 megatavun sulautetun nopean SRAM-muistin, edistyneen LCD-ohjaimen ja yhteensä neljän viimeisintä kehitystä edustavan 2D-grafiikkamoottorin avulla TZ1200 tarjoaa johtavaa grafiikkasuorituskykyä kellosovelluksiin, jotka vaativat pitkää akkukestoa. Piiri tukee MIPI DBI- (Display Bus Interface) ja DSI-liitäntää (Display Serial Interface), joten se tukee laajaa valikoimaa näyttöresoluutioita aina HVGA-tasoon (480 x 320) asti 30 ruudun sekuntinopeudella tai QVGA-tarkkuutta (320 x 240) jopa 60 ruudun sekuntinopeudella.

2D-grafiikkakiihdyttimet (GFX) tuottavat suorituskykyisen alustan kuvien piirtämiselle, pyörittämiselle ja muokkaamiselle sekä lennossa tapahtuvalle värinmuunnokselle. Tämä poistaa lähes kokonaan kuorman prosessorilta ja merkittää isoa lisäystä energiatehokkuudessa.

Ulkoisten anturien ja oheislaitteiden käyttöä, joilla voidaan monitoroida aktiivisuutta ja liikettä, tuetaan integroiduilla USB-, UART-, SPI- ja I2C-liitännöillä. TZ1200 tarjoaa 120 vapaata GPIO-liitäntää, joilla vastata vaativimpienkin laitteiden vaatimuksiin.

TZ1200 antaa suunnittelijoille joustavuuden määritellä sopivimmat muistipiirit ja -kapasiteetit omille laitteilleen. Yhdessä sulautetun datanpakkauksen se mahdollistaa suurtenkin datamäärin pitkäaikaisen tallennuksen ilman, että data pitää ladata säännöllisesti uudelleen.

Erityisen tärkeä ominaisuus uudessa prosessorissa on huipputarkka analogiaetupää (AFE), joka yhdistää 24-bittisen delta-sigma-AD-muuntimen, 12-bittisen AD-muuntimen, 12-bittisen DA-muuntimen ja ledi-DA-muuntimen. Yksi AFE-yksikön isoista eduista on, että se tukee ns. suoraa anturointia (direct sensing), eli analogisten anturien tulo voidaan liittää suoraan prosessorin suuriresoluutioiseen AD-muuntimeen. Tämän ansiosta säästetään merkittävästi tilaa ja tehoa – sekä pienennetään EMI-säteilyä ja yksinkertaistetaan suunnittelua – kun eliminoidaan perinteiset esisuodatuselementit kuten yli- ja alipäästösuotimet ja vahvistimet. Suorassa anturoinnissa nämä toiminnot ajetaan ohjelmallisesti suoraan prosessorissa.

Tehokasta grafiikkaa

TZ1200-prosessorin GXF-kiihdyttimet mahdollistavat esimerkiksi animointeja, jotka tähän asti oli varattu pelkästään älypuhelimiin ja high end -älykelloihin, joissa käytetään gigahertsiluokan prosessoreja ja täysiverisiä 3D-grafiikkakiihdyttimiä.

TZ1200 sisältää kaikkiaan neljä laitetason grafiikkamoottoria, joista jokaisella on oma dedikoitu tehtävänsä: bittikarttojen yhdistäminen, pyöritys, muunnos ja piirtäminen. Se mahdollistaa 3D-kaltaisen grafiikka-animoinnin alhaisella CPU-kuormalla ja pienellä tehonkulutuksella.

Piirtomoottori piirtää tarvittavat kuviot käyttöliittymän luomiseksi – kokoelma linjoja, suorakulmioita ja kolmioita. Tuottaakseen mahdollisimman laadukasta grafiikkaa moottori laskee huolellisesti jokaisen pikselin läpinäkyvyyden kuvaa antialiasoidessaan eli pehmentäessään.

Kuva 2. TZ1200 tuottaa sofistikoituneita käyttöliittymiä helposti, ja hyvin pienellä tehonkulutuksella.

Bittikarttoja yhdistävä ja kuvaa pyörittävä moottori tekevät yhteistyötä bittilohkonsiirrossa (BitBLT), alfasekoituksessa ja rasteroinnissa, sekä kuvan skaalaamisessa, leikkaamisessa ja kääntämisessä. Tässä lähestymistavassa vain ne elementit näytöstä, jotka muuttuvat tai joita liikutetaan, virkistetään uudelleen, millä säästetään tehonkulutuksessa ja lopulta toiminta-ajassa akkuvoimalla. Muunnos- eli transformaatiomoottori tuottaa laadukkaan ja joustavan kuvan muunnoksen LUT-mappauksella. Yhdessä pyörittämismoottorin kanssa se luo ns. 3D-prespektiivimuunnoksen, jossa kuva renderöidään haluttuun 3D-perspektiiviin. Tämä mahdollistaa erilaisia hyvän näköisiä 3D:n kaltaisia animaatioita: valikot, listat ja erilaiset 3D-käyttöliittymäelementit.

TZ1200-väyläarkkitehtuuri

Vaikka GFX tuottaa näyttävien käyttöliittymien toiminnallisuuden, TZ1200-prosessorin todellinen teho tulee sen kaksiväyläarkkitehtuurista. Tässä ratkaisussa GFX on itse asiassa oma autonominen alijärjestelmänsä, jolla on oma SRAM-muistinsa ja näyttöväylänsä. CPU-prosessori valmistelee komentolistan laitteen tarpeiden perusteella ja sovellusohjelmisto lähettää tämän lyhyen käskylistan GFX-kiihdyttimille. GFX tulkitsee nämä korkean tason käskyt eri grafiikkamoottorien tehtäviksi ja sen jälkeen ajaa ne suoraan näyttöliitäntään.

Kuva 3. TZ1200-prosessorilla on erilliset väylämatriisit CPU:lle ja grafiikkatoiminnoille.

TZ1200:n GFX-kiihdyttimien tehonkulutus mahdollistaa realistisen grafiikan renderöinnin korkeilla virkistystaajuuksilla (eli ruutuina sekunnissa), mikä ylittää selvästi useimpien puettavien sovellusten tarpeet (esimerkiksi liikkuva sekuntiviisari tarkoittaa määrityksensä mukaisesti 1 ruutua sekunnissa). Tehokkaan erillisväyläarkkitehtuurinsa ansiosta rasitus Cortex-sarjan isäntäprosessorille minimoituu, vaikka ruudulla tehdään monimutkaista muokkausta kuten piirtoa, täyttöä, häivytystä, sekoitusta, skaalausta, pyöritystä jne. Näin CPU-kapasiteettia säästyy sovelluskohtaiseen laskentaan. CPU-kuormitus riippuu suuresti halutusta graafisesta käyttöliittymästä ja GFX-laskennan tehokkuudesta. Esimerkkinä voi mainita, että tyypillinen GUI-toteutus 2D- ja 3D-animaatioineen tuottaa vain 3-8 prosentin CPU-kuormituksen.

Tämän erittäin tehokkaan arkkitehtuurin ansiosta TZ1200 saavuttaa suorituskyvyn, joka yleensä liitetään huomattavasti suuremmalla kellotaajuudella toimiviin prosessoreihin. Tämä yhdessä monien edistyneiden ominaisuuksien – esimerkiksi mahdollisuus sammuttaa muistilohkot ja piirille integroidut oheislaitteet itsenäisesti – kanssa vaikuttaa suuretsi TZ1200-piirien äärimmäisen pieneen tehonkulutukseen. Itse asiassa, kun testataan ”aina-päällä” olevaa kellosovellusta, jossa näyttö päivittyy kerran sekunnissa, TZ1200-pohjainen ratkaisu värinäytöllä ja MiP-tekniikalla (Memory-in-Pixel) mahdollistaa 350 milliampeeritunnin akulla varustetun kellon toiminnan 34 päivää latausten välillä

Johtopäätös

Puettavien laitteiden nopeasti muuttuvassa ja kovasti kilpaillussa tekniikassa grafiikkamoottorin älykäs erottaminen yleisprosessoinnista tuo todellisia hyötyjä suorituskykyyn alennetuilla kellotaajuuksilla. Tämän ansiosta suunnittelijat pysyvät tehobudjettinsa rajoissa JA pystyvät tuottamaan suorituskykyisiä, silmää miellyttäviä graafisia käyttöliittymiä, jotka määrittelevät tulevaisuuden houkuttelevat puettavat elektroniikkalaitteet.