Arsitektur PlayStation Vita (Bagian 1)
(copetti.org)- PSVita adalah perangkat yang mempertemukan konsol gim portabel tradisional dengan arus SoC mobile yang tumbuh pesat, dan Sony berupaya mempertahankan identitas produk yang berbeda dari smartphone sambil tetap memakai rangkaian yang familier
- Lini produknya terbagi menjadi PSVita asli, Slim yang mengganti OLED dengan LCD, dan PlayStation TV yang lebih mirip perangkat rumahan; analisis arsitektur yang sama secara umum berlaku untuk ketiga varian tersebut
- Chip pusat Kermit memakai pendekatan Stacked Chip SoC dari Toshiba, menumpuk CPU, GPU, sekitar 640 MB RAM, akselerator, dan rangkaian kompatibilitas PSP dalam satu paket untuk meningkatkan bandwidth dan mengurangi area, tetapi desain pembuangan panas menjadi lebih sulit
- CPU utamanya adalah ARM Cortex-A9 MPCore quad-core hingga 500 MHz, mencakup ARMv7-A, cache L2 bersama 2 MB, kompilasi yang berpusat pada Thumb-2, NEON/VFPv3, TrustZone, dan eksekusi out-of-order
- Tugas multimedia ditangani akselerator Venezia dari Toshiba, sedangkan kompatibilitas mundur PSP/PS1 diproses melalui MIPS32 4k di dalam Kermit serta struktur CDRAM, Scratchpad, dan RPC yang dicadangkan
Pasar tempat PSVita berada dan cakupan analisis
- PSVita adalah produk di persilangan antara industri video game dan sektor mobile yang berubah cepat
- Sony harus bersaing dengan perangkat murah yang menawarkan berbagai fungsi di luar panggilan telepon
- Konsol portabel baru Sony memuat teknologi modern pada masanya, dan meski konfigurasi rangkaiannya tampak familier, terlihat pula desain yang berupaya tidak menyerupai pasar smartphone
- Analisis konsol generasi ke-8 menjadi semakin kompleks, sehingga tidak dipublikasikan sekaligus, melainkan dengan pendekatan rilis per bagian
Tiga model PSVita
- Selama siklus hidup PSVita, Sony beberapa kali mengubah strategi produknya dan merilis tiga varian
- Original PSVita adalah model pertama dalam seri ini, dan kadang disebut model ‘Fat’
- Slim mempertahankan arsitektur yang sama tetapi mengganti layar OLED dengan LCD untuk menurunkan biaya, dan tidak menyediakan varian dengan dukungan 3G
- Pada Slim, chip eMMC menjadi lebih besar, tetapi kenaikannya hanya 52 MB; meski begitu, ini memungkinkan penyediaan kartu memori internal 1 GB
- PlayStation TV adalah bentuk yang menyesuaikan mainboard Fat untuk lingkungan non-portabel, dan mengekspos konfigurasi I/O yang berbeda
- Penjelasan arsitektur yang sama secara umum berlaku untuk ketiga model, sementara perubahan eMMC pada Slim dan PlayStation TV dibahas secara terpisah
Kermit: SoC pusat PSVita
- Sejak PlayStation pertama, Sony awalnya aktif mengadopsi teknologi MIPS, tetapi ketika ARM menguat di pasar mobile dan adopsi MIPS menurun, Sony memilih CPU ARM untuk PSVita
- Toshiba, sebagai mitra manufaktur dekat Sony, berperan sebagai pengguna lisensi ARM
- Chip utama Kermit meminjam nama dari ‘The Muppets’, dan merupakan blok rangkaian terbesar yang memuat CPU utama PSVita
- Kermit adalah System-on-Chip, tetapi berkat model manufaktur Stacked Chip SoC(SCS) dari Toshiba, banyak memori dan prosesor digabungkan dalam paket yang sama
- SCS menumpuk rangkaian secara vertikal, alih-alih menghubungkannya ke luar secara menyamping
- Dampak langsungnya adalah peningkatan bandwidth dan pengurangan area
- Sebagai gantinya, desain pembuangan panas menjadi lebih kompleks
- Komponen utama Kermit adalah sebagai berikut
- CPU utama ARM Cortex-A9 MPCore quad-core
- GPU utama PowerVR SGX543MP4+ dari Imagination Technologies
- Berbagai akselerator seperti DSP besar, pengontrol DMA, dan blok keamanan
- Sekitar 640 MB RAM yang terbagi dalam beberapa jenis
- CPU MIPS dan rangkaian Graphics Engine untuk kompatibilitas PlayStation Portable
ARM Cortex-A9 MPCore
- CPU utama PSVita adalah ARM Cortex-A9 MPCore, sebuah klaster yang terdiri dari empat core Cortex-A9
- Kecepatan operasinya hingga 500 MHz, lebih rendah dari 1,4 GHz pada Samsung Galaxy S III yang memakai A9 quad-core pada periode yang sama
- Cortex-A9 adalah penerus Cortex-A8, dan PSVita muncul hanya selang beberapa bulan dari Nintendo 3DS
- Fitur dasar umumnya adalah sebagai berikut
- Set instruksi ARMv7-A
- Cache L1 64 KB
- Terbagi menjadi cache data 32 KB dan cache instruksi 32 KB
- Koherensi cache data antar-core ditangani oleh Snoop Control Unit
- Struktur 2-issue superscalar
- Jika tidak ada hazard, dua instruksi dijalankan melalui dua pipeline untuk meningkatkan jumlah instruksi yang dieksekusi per clock
- Prediksi cabang dinamis
- Pada tahap pengambilan instruksi, dua buffer khusus digunakan untuk memprediksi apakah ada cabang dan apakah cabang tersebut diambil
- Unit ini hanya memprediksi instruksi cabang, dan tidak mencakup optimisasi seperti eksekusi bersyarat atau instruksi
IT
- MMU dengan TLB
- TrustZone
- Pada tingkat hardware, komponen dibagi menjadi grup secure dan non-secure
- Pada tingkat software, ini menjalankan Trusted Execution Environment, yaitu sistem operasi pendamping terisolasi yang memproses data rahasia
- Transfer data diberi tag yang menunjukkan apakah transaksi bersifat secure atau insecure
- NEON Media Processing Engine
- Koprosesor yang melakukan operasi vektor dan floating-point
- Bagian yang diperkuat pada Cortex-A9 adalah sebagai berikut
- Dukungan multi-core
- Ini paling jelas terlihat dari pilihan paket quad-core Sony
- Ini juga menjadi latar yang memungkinkan iPad 2 dan iPhone 4s hadir dengan CPU dual-core
- Eksekusi out-of-order melalui register renaming
- Ini adalah perubahan besar yang memperluas instruction-level parallelism ARM
- Pipeline panjang variabel yang berubah antara 8–11 tahap tergantung tugas
- Jika eksekusi berlanjut ke koprosesor multimedia, jumlah tahap dapat bertambah
- Dukungan multi-core
- Sony menambahkan Primelink Level 2 Cache Controller dari ARM dan cache L2 bersama 2 MB
- Primelink adalah subsistem cache yang dapat mengatur berbagai cara asosiasi cache, dari direct-mapped hingga 16-way
- ARM kemudian mengubah merek Primelink menjadi CoreLink
ARMv7, Thumb-2, NEON/VFPv3
- ARMv7 pada Cortex-A9 adalah superset dari ISA ARMv6, dengan area tambahan utama berupa VFPv3, NEON, Security Extension, dan multiprocessing
- ISA Thumb direvisi besar-besaran menjadi Thumb-2
- Thumb-2 menambahkan instruksi 32-bit untuk menutup celah pada Thumb 16-bit lama
- Dibandingkan ARM ISA, kepadatan kodenya lebih tinggi, dan meski eksekusi bersyarat dihilangkan, sebagian fungsi dilengkapi oleh instruksi khusus
IT
- Cortex-A9 pada Kermit juga mengimplementasikan ThumbEE dan Jazelle, tetapi sulit dikatakan bahwa aplikasi memanfaatkannya
- Dalvik, interpreter Java Android, juga tidak menggunakan Jazelle/Thumb-2EE
- ARM membuat Unified Assembler Language(UAL) untuk mengurangi kebingungan ISA
- UAL bertujuan menjadi satu codebase yang dapat menargetkan ARM maupun Thumb-2
- Dalam praktiknya, ini adalah gabungan opcode ARM dan Thumb-2, dan assembler melewati opcode sesuai CPU target
- Dalam bahasa seperti C, Objective-C, dan C++, compiler umumnya memakai Thumb-2 sebagai output assembly default
- Alasannya adalah kepadatan kode yang efisien dan penalti performa yang jarang terjadi
- Aplikasi smartphone dan aplikasi PSVita umumnya dikompilasi ke Thumb-2, bukan ARM
MPE, VFPv3, dan NEON untuk operasi media
- Komponen yang sangat penting bagi PSVita pada Cortex-A9 adalah Media Processing Engine(MPE)
- MPE menjalankan dua set instruksi yang saling terkait
- Vector Floating-Point v3(VFPv3)
- Penerus VFPv2 untuk fungsi floating-point
- Mematuhi IEEE-754
- Menyediakan instruksi seperti
VCVT,VMOV - Varian persis pada Cortex-A9 adalah VFPv3-D32, yang mencakup 32 register 64-bit
- ARMv7 menghentikan penggunaan instruksi vektor, dan Cortex-A9 tidak memiliki instruksi vektor tersebut
- NEONv1
- Set instruksi vektor sebenarnya, yang juga disebut ‘ARMv7 Advanced SIMD’
- Menyediakan 16 register 128-bit, yang dapat dibagi menjadi 32 register virtual 64-bit atau 32-bit
- Integer dapat ditangani hingga 64-bit, sementara tipe floating-point tidak dapat melebihi 32-bit
- Vector Floating-Point v3(VFPv3)
- NEON dan VFPv3 berbagi register file yang sama, tetapi diperlakukan sebagai ISA terpisah
- Alasan kedua ISA dipisahkan adalah karena tidak ada yang lengkap secara fungsional
- VFPv3 tidak mendukung fixed-point
- NEON tidak mematuhi standar IEEE 754
- NEON ditafsirkan sebagai respons cepat terhadap Wireless MMX, ekstensi SIMD proprietary milik Intel XScale
- PDA kelas atas seperti Dell Axim X51v memakai CPU Intel XScale PXA270 yang kompatibel dengan ISA ARMv5, dan menyertakan ekstensi SIMD proprietary yang hanya tersedia di lini CPU Intel
- Perangkat ini juga memuat GPU PowerVR MBX yang terkait dengan chip grafis PSVita
Struktur bus
- Spesifikasi AMBA dari ARM juga digunakan untuk menghubungkan komponen pada Cortex-A9
- Protokol AXI dari revisi ketiga AMBA dipilih untuk antarmuka core internal klaster MPCore
- Pilihan AXI yang sama juga dapat terlihat pada ARM11 dan Nintendo 3DS
- PSVita juga menggunakan Open Core Protocol(OCP) untuk semua komunikasi di luar MPCore
- Ini satu keluarga dengan protokol yang digunakan Nintendo 3DS saat berkomunikasi dengan GPU PICA
Arah ARM setelah Cortex-A
- Setelah Cortex-A9, lini Cortex-A terbagi lagi menjadi empat kategori tambahan, dari performa tinggi hingga fokus efisiensi energi, sehingga struktur pewarisannya menjadi lebih kompleks
- Nomor model tiap CPU menjadi sulit diikuti, tetapi itu bukan masalah besar karena CPU-CPU ini bukan produk yang dijual terpisah kepada pengguna akhir umum
- Tonggak besar berikutnya bagi ARM adalah ARMv8 yang muncul pada 2011, dan akan dibahas lebih lanjut dalam analisis Nintendo Switch
Venezia: akselerator multimedia Sony
- Sony menempatkan akselerator besar di samping klaster ARM untuk mendukung pekerjaan terkait gim
- Seperti grup Media Engine pada PSP sebelumnya, akselerator ini adalah black box proprietary sepenuhnya, dan diakses melalui SDK resmi alih-alih ditangani langsung oleh programmer
- Nama akselerator ini adalah Venezia
- Ini adalah paket CPU terpisah yang dirancang oleh Toshiba, mitra dekat Sony
- Dibuat untuk pemrosesan gambar dan suara
- Fungsinya dekat dengan Digital Signal Processor(DSP)
- Juga dijual sebagai chip yang dapat disintesis untuk perangkat multimedia seperti pemutar DVD
- Venezia memiliki karakter sebagai penerus Media Engine pada PSP
Struktur internal Venezia
- Venezia memiliki struktur klaster seperti MPCore, dan terdiri dari 8 core Media Processing Engine(MPE)
- Kecepatan operasinya 266,7 MHz
- Nama MPE dari Toshiba bertumpang tindih dengan nama akselerator vektor ARM, tetapi keduanya adalah silikon yang berbeda
- Setiap MPE mencakup elemen berikut
- CPU Media-embedded Processor(MeP) proprietary
- Revisi kelima, MeP-c5
- Arsitektur berbasis RISC 32-bit
- Cache L1 32 KB
- Terpisah menjadi 16 KB instruksi dan 16 KB data
- Memori serbaguna 64 KB
- Ruang tempat CPU MeP menjalankan program utama
- Pengontrol DMA untuk transfer memori internal dan eksternal
- Koprosesor pemrosesan gambar IVC2
- Menjalankan instruksi SIMD 64-bit
- Dapat memproses berbagai kumpulan data, dari delapan integer 8-bit hingga dua integer 32-bit
- Menyediakan dua register akumulator 256-bit, dan dapat menghitung dua operasi secara bersamaan bila digabungkan dengan fungsi lain
- CPU Media-embedded Processor(MeP) proprietary
- Klaster ini juga memiliki cache L2 256 KB
- Ciri utamanya adalah set instruksi berbasis Very Long Instruction Word(VLIW)
- Beberapa instruksi dapat dienkode secara bersamaan dalam satu baris
- Venezia dapat memasukkan total tiga instruksi dalam satu baris: dua untuk koprosesor gambar dan satu untuk CPU
- Untuk mengemas instruksi secara efisien, diperlukan compiler yang unggul
- VLIW menarik perhatian pada 1990-an melalui implementasi seperti Broadcom Firepath, Transmeta Crusoe, dan Intel Itanium, tetapi tidak banyak mengakar di CPU arus utama karena hasil benchmark yang mengecewakan
- Venezia hanya dapat diakses melalui API abstrak bernama Codec Engine
- Mengimplementasikan pekerjaan encoding dan decoding gambar serta audio
- Misalnya, perintah decoding AVC mendekompresi data video yang dienkode dengan Advanced Video Coding dan menghasilkan stream tanpa kompresi yang dapat dipahami GPU
Konfigurasi memori PSVita
- Di bagian teratas stack Kermit terdapat 512 MB LPDDR2 SDRAM, yang digunakan sebagai ruang kerja utama
- SDRAM berarti Synchronous Dynamic RAM
- DRAM lebih murah diproduksi daripada SRAM, tetapi latensinya lebih besar
- Karena itu, cache CPU dibuat dengan SRAM, sedangkan memori serbaguna eksternal dibuat dengan DRAM
- SDRAM menyinkronkan transfer dengan clock CPU untuk meningkatkan throughput
- LPDDR2 berarti Low Power Double Data Rate 2
- DDR mentransfer informasi dua kali lipat per siklus dengan encoding
- LP berarti varian berdaya rendah, dengan ponsel dan laptop sebagai target adopsi utama
- Spesifikasi LPDDR2 dirilis pada 2009, dan beroperasi pada 1,2 V, lebih rendah dari 1,35 V pada DDR3
- Secara terpisah ada 128 MB Custom DRAM(CDRAM), yang terutama terhubung ke GPU
- CDRAM adalah nama internal dan mengacu pada SDR SDRAM tradisional
- Berbeda dengan DDR, ini adalah memori Single Data Rate
- Karena merupakan ruang khusus yang dekat dengan GPU, ini cocok untuk pekerjaan grafis berintensitas tinggi
- Blok ini tampaknya terhubung melalui dua bus 512-bit
- SoC juga memuat sekitar 2,18 MB SRAM yang terbagi dalam beberapa blok
- Camera SRAM 2 MB
- SPAD32K 32 KB
- SPAD128K 128 KB
- SceCompatSharedSram 4 KB
- Scratchpad 16 KB
- Blok SRAM ini dicadangkan untuk sistem operasi
- Scratchpad 16 KB sama dengan kapasitas SRAM yang juga ada pada PSP
MIPS32 4k dan kompatibilitas mundur
- Di dalam Kermit juga terdapat CPU MIPS32 4k lama
- CPU yang sama dengan yang dipasang pada PlayStation Portable
- Tujuan CPU ini adalah kompatibilitas mundur dengan gim PlayStation Portable dan PlayStation 1
- CPU MIPS secara resmi hanya dipakai untuk tujuan ini, dan tidak memiliki fungsi koprosesor
- Kermit tidak memuat Media Engine milik PSP
- Karena Media Engine adalah black box, software tidak perlu memikirkan implementasi internalnya
- Fungsi CPU pendamping tersebut direplikasi oleh Venezia
- Terkait I/O lainnya, MIPS tidak terhubung secara fisik ke bagian hardware lain, dan hanya Cortex-A9 yang terhubung
- Software emulasi PSP yang berjalan di CPU MIPS meminta layanan kepada CPU ARM melalui model RPC(Remote Procedure Call)
- Untuk layanan kompatibilitas mundur ini, 64 MB CDRAM juga dicadangkan
- Scratchpad 16 KB yang disebutkan sebelumnya sebenarnya berada di dalam CPU MIPS dan dialokasikan untuk emulator PSP
- Ini adalah elemen untuk mencocokkan konfigurasi memori yang diharapkan gim PSP asli
Cakupan berikutnya
- Bagian berikutnya akan membahas proses VideoLogic berkembang menjadi GPU utama di pasar mobile hingga mencapai GPU PowerVR MBX
1 komentar
Komentar Hacker News
Saya sangat menyukai PSP asli dan scene homebrew/jailbreak yang muncul darinya. Belakangan saya mendapatkan PS Vita dan menikmati game native serta homebrew, dan saya terkejut ekosistem homebrew-nya masih cukup aktif
Sepertinya ada juga kemungkinan porting game Android sampai batas tertentu. Andai saja Sony tidak membiarkan PS Vita gagal; pada masanya perangkat ini terasa punya potensi yang sangat besar
Sampai sekarang saya masih memakai Vita karena Steam Deck tidak masuk saku. Saya setuju potensinya terbuang. Saya jadi membayangkan bagaimana jadinya kalau Shadow of the Colossus atau Demon's Souls ada di Vita
Jadi sepertinya mereka jadi percaya bahwa performa buruknya bukan karena kesalahan mereka sendiri yang sebenarnya bisa dihindari, melainkan konsekuensi tak terelakkan dari perubahan pasar
Kalau dipikir-pikir, sepertinya itulah yang membuat saya tertarik pada elektronika
Ada beberapa judul yang lumayan, tetapi tidak ada yang benar-benar mengejutkan saya; mungkin Risk of Rain yang paling lama saya mainkan
Sekarang Vita sudah cukup layak diakui sebagai perangkat emulasi portabel yang bisa disandingkan dengan berbagai SBC kecil yang masih diproduksi saat ini
https://docs.libretro.com/guides/install-psv/
Beberapa tahun lalu saya ikut mengerjakan Media Embedded Processor(MeP) Toshiba yang disebut dalam artikel ini. Di Red Hat, saya mengerjakan toolchain untuk mendukung arsitektur prosesor yang dapat dikonfigurasi, yang saat itu terasa unik
MeP memang tidak menguasai dunia, tetapi saya senang mengetahui bahwa ia masuk ke PS Vita
Artikel ini hanyalah salah satu dari kumpulan tulisan yang sudah lama berjalan
https://www.copetti.org/writings/consoles/
Saya masih tidak mengerti mengapa Sony meninggalkan pasar konsol genggam, padahal posisinya unik karena bahkan punya lini ponsel
Xperia Play terlalu dini, tetapi dalam situasi sekarang, ketika orang sudah terbiasa mengeluarkan banyak uang untuk ponsel atau Steam Deck, rasanya Sony bisa saja membuat penerus Vita dan Xperia Play yang hebat dengan membundel toko game Sony ke perangkat Android
Organisasi-organisasinya terlalu tersilo. Sebagai orang yang cukup menyukai produk-produknya, kalau melihat dari apa yang kita tahu sekarang, sulit untuk tidak menertawakan bagaimana semuanya berjalan seburuk itu
Dalam banyak hal ia mendahului zamannya, tetapi pasar game saat itu tampaknya belum secocok atau sesiap sekarang untuk perangkat portabel
Benar-benar keren, dan kebetulan yang terasa seperti takdir
Minggu lalu saya mengeluarkan Vita dari laci dan sedang memainkan beberapa port portabel dari game PS3 yang belum bisa saya mainkan karena tidak bisa menghubungkan PS3. Ada Ratchet & Clank, Sly Cooper, God of War 1 dan 2, serta beberapa game indie
Saya terkejut melihat store-nya masih berfungsi, lalu membeli game-game PS1 Armored Core. Saya benar-benar menyukai perangkat ini. Ia diperlakukan tidak adil oleh pasar maupun dukungan Sony
Saya jadi tergoda untuk men-jailbreak-nya dan mencoba membuat homebrew
Saya sudah memakai dua PS Vita, dan beberapa kali mengganti komponen seperti tombol kontrolnya
Saya menyukai perpaduan game kasual dan “serius” di Vita, mulai dari game kasual seperti PixelJunk Monsters sampai Killzone Mercenary, first-person shooter setingkat konsol di perangkat portabel. Konten Jepang seperti Akiba's Trip: Undead and Undressed, Danganronpa, dan Fate/Extella juga sangat banyak
Karena terputus dari PS Network, dan game-game Jepang yang saya suka mulai keluar di Steam, saya melepas perangkat Vita saya, tetapi jujur saya merindukan PixelJunk Shooter
Baru-baru ini saya juga mengunduh kembali pembelian lama. Memang sebaiknya semuanya dicadangkan sebelum benar-benar diturunkan
Saya tidak tahu bahwa di dalam Vita ada hardware PSP. Saya kira kompatibilitas mundurnya berbasis software, meskipun Sony memang punya sejarah panjang mengirim konsol dengan hardware kompatibilitas mundur di dalamnya
Namun sekitar waktu itu, PS2 Slim dan kemudian emulator PS1 berbasis software untuk PS3 juga sudah ada
https://israpps.github.io/PPC-Monitor/docs/Architecture%20Ov...
Buku seperti ini termasuk kategori “tidak pernah saya minta dan tidak saya duga, tetapi begitu ada, saya membacanya dari matahari terbit sampai terbenam”
Penulisnya juga menulis beberapa buku lain tentang prosesor dan arsitektur embedded, dan jujur ini pekerjaan yang sangat dibutuhkan
Dunia embedded jauh lebih condong ke arah membongkar, membedah, menjelaskan, dan menalar dibanding dunia software. Entah kenapa, orang-orang di bidang ini menelusuri dan merekonstruksi sampai level skematik, menggali hampir semuanya. Scene modding Nintendo belakangan ini menunjukkan ekstremnya
Para reverse engineer software masih berpegangan pada lisensi IDA dan plugin seperti tren yang sudah lewat masa jayanya. Kita butuh lebih banyak orang seperti Copetti
Saya sangat menyukai seri tulisan ini maupun Vita
Yang cukup lama membuat saya penasaran adalah apakah Vita menyertakan CPU dan GPU PSP sekaligus untuk kompatibilitas mundur, atau hanya CPU dan GPU-nya dipetakan ke sisi Vita
Artikel ini mengklaim yang pertama, tetapi saya berharap bisa mengetahui lebih lanjut beserta dasarnya di bagian berikutnya
Vita mendahului zamannya