Die Hardware des iPads - Der Prozessor
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Die Hardware des iPads Der Prozessor ging der erste ARM-Prozessor, der ARM2 Das Herzstück des iPad ist der Anwen- in Serie. Mit seinem RISC-Design kam der dungsprozessor – der Apple A5, A5X, A6X, ARM2 mit einem Bruchteil der Transistoren A7 oder A8X, je nach iPad-Modell. Er ist eines Intel 80386 aus (30.000 statt 275.000), als sogenanntes SoC, System on a Chip, erzielte dabei die eineinhalbfache Rechen- aufgebaut. Hierbei sind die beiden Prozes- leistung pro Takt (er war allerdings auch sorkerne zusammen mit verschiedenen an- niedriger getaktet). Der zeitgleich mit dem deren Komponenten zu einem einzigen Chip ARM2 erschienene 80386 ist einer der Vor- zusammengefasst. Im Apple-A-SoC finden gänger des Prozessors, der im Windows-PC sich auch der Grafikprozessor, der Arbeits- und seit mehreren Jahren auch OS-X-PC speicher-Controller und verschiedene wei- verwendet wird. Er war eine Weiterentwick- tere Schaltungen für die Kommunikation mit lung des für sein besonders undurchdach- dem Massenspeicher und den Schnittstellen tes Design bekannten 8086, dessen Erbe sowie zum Dekodieren von Videos. noch immer in jedem PC-Prozessor zu er- Die Apple-A-SoCs aller iPads – seit dem kennen ist. Apple A4 im originalen iPad – sind Eigenent- Ab 1990 übernahm die von Acorn zu- wicklungen von Apple. (Im Gegensatz zum sammen mit VLSI Technology und Apple iPad wird im Mac keine von Apple entwi- gegründete Firma ARM Ltd. die Weiterent- ckelte Hardware mehr verwendet. Seit 2006 wicklung des ARM-Prozessors. ARM steht wird für den OS-X-PC dieselbe Hardware seitdem für »Advanced RISC Machine«. verwendet, die sich auch in jedem anderen Acorn selbst hat sich 1998 aus dem PC- Intel-PC findet.) Markt verabschiedet. Nach der Rückkehr Die Prozessorkerne basieren auf der ARM- von Steve Jobs zu Apple wurde Apples Be- Architektur, einer Prozessor-Architektur, die teiligung an der ARM Ltd. Stück für Stück sich durch ein besonders effizientes Design wieder abgestoßen, da das Gerät, für das auszeichnet. die Investitionen in die Entwicklung des 1983 startete die englische Firma Acorn ARM-Prozessors gedacht war – der »New- Computers die Entwicklung eines eigenen ton«, ein taschenbuchgroßer Computer, der Prozessors für ihre Personal-Computer über einen berührungsempfindlichen Bild- Namens »Archimedes«. Das Prozessor- schirm bedient wurde – eingestellt worden design, das 1985 fertig gestellt war, wurde war. ARM (Acorn RISC Machine) genannt. 1986
Hardware 261 1 iPad Air 2 zerlegt. Neben den beiden großen Akkuzellen ist das Mainboard eingebaut. Auf ihm befinden sich der A8X-Prozessor, die Flash-Speicher-Bausteine und der WLAN-Chip sowie beim iPad Wi-Fi + Cellular zusätzlich ein Modul mit dem Mobilfunk- und dem GPS-Chip. (© ifixit.com) ARM Ltd. verkauft keine kompletten Pro- Flash-Speicher zessoren, sondern lizenziert das Design an Für den Massenspeicher werden beim iPad andere Hersteller. Diese können dann den anstelle der bei PCs üblichen Festplatte Prozessorkern in ihre eigenen Chips integ- Flash-Speicher-Bausteine verwendet. Beim rieren. Neben dem Apple Anwendungspro- Flash-Speicher werden die Daten in Form zessor verwendet z. B. auch der Chip für von elektrischen Ladungen auf einem Chip die 3G/4G-Schnittstelle im iPad einen (aller- gespeichert. Im Gegensatz zum Arbeitsspei- dings einfacheren) ARM-Prozessorkern. cher bleiben hier jedoch die Ladungen und Die Schaltungen der PowerVR-Grafikpro- damit die Daten erhalten, ohne dass der zessoren in den Apple-A-SoCs stammen Chip beständig mit Strom versorgt werden von der Firma Imagination Technologies, muss. ebenfalls aus England.
262 Die Hardware des iPads
Mit den eingebauten
Sensoren kann das iPad
seine genaue Position
und Blickrichtung ermit-
teln. So kann z. B. ein
Astronomieprogramm
(hier »PM Planetarium«)
einen Himmelskörper
benennen, auf den
es gerichtet wird. 3
WLAN Cellular
In allen iPads ist ein Chip für die kabellose Im iPad Wi-Fi + Cellular bzw. iPad 2 Wi-Fi +
Netzwerkschnittstelle WLAN eingebaut. Die 3G ist zusätzlich ein Modul eingebaut, das
WLAN-Schnittstelle des iPads entspricht Verbindungen zum Mobilfunk-Netzwerk auf-
der Norm IEEE 802.11 a, b, g und n. Wird bauen kann. Mehr zum Mobilfunk erfahren
das iPad an einen Access-Point angebun- Sie im Kapitel »Netzwerk«.
den, der die Norm IEEE 802.11n unter-
stützt, sind Übertragungsraten von bis zu GPS
300 Mbit/s möglich, bei den Modellen mit Der Chip im Modul des iPad Wi-Fi + Cellular
MIMO sogar bis zu 600 Mbit/sec. Das iPad kann außerdem Zeitsignale von den GPS-
Air 2 unterstützt zusätzlich IEEE 802.11ac Satelliten empfangen. Anhand der Laufzeit-
mit bis zu 866 Mbit/ses. Mehr zu WLAN er- unterschiede der Signale mehrerer Satelliten
fahren Sie im Kapitel »Netzwerk«. ermittelt der Chip die genaue Position des
iPads auf der Erdoberfläche ( »Karten«).
Bluetooth
Der WLAN-Chip kann außerdem Verbindun- Accelerometer, Gyroskop,
gen über den Kurzstrecken-Funk Bluetooth Kompass, Barometer
4.0 (bzw. 2.1 + EDGE beim Pad 2) herstel- Mit dem Beschleunigungs- und dem Lage-
len. Mehr zu Bluetooth lesen Sie im Kapitel sensor können Bewegungen des iPads und
»Zubehör«. die Lage im Verhältnis zum Erdschwerefeld
bzw. die Lage im Raum ermittelt werden.
Hardware 263 Ein elektronischer Kompass misst die Aus- richtung des iPads im Verhältnis zum Erd- magnetfeld ( »Karten«). Das Barometer im iPad Air 2 misst den Luftdruck und kann so zusätzlich die Höhe ermitteln. Bildschirm 1 Der 8-polige Lightning-Anschluss vereint Das iPad besitzt ein kapazitives Multitouch- mehrere Schnittstellen in einem Stecker. Display. Ein kapazitiver Touchscreen misst die Position der Finger auf dem Bildschirm mit Hilfe der elektrischen Leitfähigkeit der Haut. Er kann nur mit leitfähigen Materialien bedient Der Bildschirm ist außerdem fettabweisend werden. Ein Multitouch-Bildschirm kann im beschichtet, sodass er ohne Verwendung Gegensatz zu einfachen Touchscreens, die von Putzmitteln gesäubert werden kann. nur einen Punkt auf den Bildschirm ermitteln konnten, die Positionen mehrerer Finger auf Lightning-Anschluss dem Bildschirm erkennen. Im Lightning-Anschluss werden verschie- Hinter der sensitiven Lage liegt die LCD- dene Schnittstellen in einen Stecker zu- Lage (Liquid Crystal Display – Flüssigkris- sammengefasst. Die acht Pins können nach tallbildschirm), die das Bild ausgibt. In ihr Bedarf elektronisch belegt weden. Im iPad wird das Licht der LED-Hintergrundbeleuch- werden über die entsprechenden Adapter tung (Light Emitting Diode – Licht aussen- folgende Schnittstellen angeboten: dende Dioden) durch nebeneinander lie- gende rote, grüne und blaue Farbfilter (die • USB – Universal Serial Bus, ermöglicht Subpixel) geleitet, die von Flüssigkristallen die Datenverbindung zum PC unterschiedlich stark abgedunkelt werden. • Audioeingang So entstehen durch additive Farbmischung • Audioausgang die verschiedenen Farben auf dem Bild- • Videoausgang (HDMI oder VGA) schirm. • Stromversorgung für das iPad (5V nach Der Bildschirm des iPads verwendet die USB-Standard) aufwendige IPS-Technologie (In Pane Swit- • Stromversorgung für Zubehör ching). Bei den billigeren TN-Displays, die in Notebooks verbaut werden, kommt es 30-Pol Anschluss zu starken Farbabweichungen, wenn sich Das iPad 2 und das iPad 3. Generation be- der Betrachter nicht in einer gedachten sitzen stattdessen den älteren 30-poligen Senkrechten vor dem Display befindet. IPS Dock-Anschluss. Auch dieser fasst die oben ermöglicht es, das Display aus einem schrä- genannten Schnittstellen in einem Stecker gen Blickwinkel zu betrachten, ohne dass zusammen, jedoch mit Composite- und es zu Farbabweichungen kommt. Komponenten-Video am Videoausgang.
Software – Vermischtes zum iOS iOS, das Betriebssystem des iPads, ist eine Da das iOS eine eigene Benutzeroberfläche Variante von OS X. Mac OS X wurde im verwendet, sind dessen Wurzeln praktisch Jahre 2001 als moderner Nachfolger von nur in NeXTStep zu suchen. Mac OS vorgestellt. Mac OS diente dem Mac seit 1984 als Betriebssystem. Die Wur- iOS ist (nicht) OS X zeln von Mac OS X reichen allerdings viel iOS teilt viele Eigenschaften mit OS X, viele weiter zurück in die Vergangenheit. Dinge sind im iOS aber anders organisiert Grundlage für die Entwicklung von als in OS X. Nicht nur die Benutzeroberflä- Mac OS X war das Betriebssystem che ist eine andere, auch in den Tiefen un- NeXTStep, das erstmals 1989 vorgestellt terscheiden sich die beiden Systeme. wurde. Dieses System entwickelte die Firma NeXT-Computers, die Steve Jobs, einer der Der Systemkern Gründer von Apple, gegründet hatte, als er iOS verwendet denselben Betriebssystem- 1986 Apple verlassen musste. Eine Basis kern wie OS X. Der Mach-Kernel, der an von NeXTStep wiederum ist BSD, eine an der Carnegie Mellon University als teilweise der Berkeley University entwickelte UNIX- Alternative zum BSD-Kernel entwickelt Variante. UNIX wurde in den 60er und 70er wurde, kümmert sich nur um die grundle- Jahren als Betriebssystem für Großrechen- gendsten Aufgaben. Er sorgt lediglich für anlagen entwickelt. die Speicher- und Prozessverwaltung und Bei der Verschmelzung von NeXTStep und wird mit den sogenannten Kernel Exten- Mac OS zu Mac OS X wurde NeXTStep als sions (Kexts) im Ordner »/System/Library/ Basis verwendet und Mac OS steuerte ver- Extensions« erweitert. Diese Kexts enthalten schiedene Techniken bei. Die Bedienung der z. B. die Treiber für den Grafikprozessor, die grafischen Benutzeroberfläche orientierte USB-Schnittstelle und die Datenübertra- sich an der des Mac OS, ergänzt durch gung über das Netzwerk. Im iOS sind der wenige Elemente aus der Oberfläche von Kernel und die meisten Erweiterungen nicht NeXTStep. Im Laufe der Zeit wurden die als einzelne Dateien vorhanden. Sie liegen die aus Mac OS übernommenen Techniken hier nur in Form des auf das jeweilige Gerät durch neue Techniken ersetzt oder ganz ge- abgestimmten Kernelcaches vor. Dort sind strichen. 2012 verbannte Apple das »Mac« der Mach-Kernel und die für den Betrieb aus dem Namen und spricht seither nur des Geräts notwendigen Erweiterungen in noch von OS X. einer Datei zusammengestellt. Unter OS X
Software 265 wird dieser Kernelcache bei Änderung der Hardware oder bei einem Systemupdate dy- namisch erzeugt. Auf der Festplatte sind der Mach-Kernel und hunderte einzelner Kexts vorhanden, von denen – je nach Hardware des PCs – gut 100 verwendet werden. Beim iOS dagegen liegen nur noch einige wenige Kext-Dateien im Ordner »Extensions«. Die Programmumgebung Das iOS bietet Programmierern mit »Cocoa Touch« nur eine einzige Laufzeitumgebung 1 iOS teilt sich die Basis mit NeXTStep … für Programme an. Cocoa Touch ist eine Weiterentwicklung der Cocoa-Umgebung in OS X, die von NeXTStep übernommen wurde. Im Gegensatz zu Cocoa, das für die Bedienung mit der Maus gedacht ist, ist Cocoa Touch auf die Bedienung über einen berührungsempfindlichen Bildschirm op- timiert. Programme für iOS können nur in »Xcode« unter der jeweils aktuellen Version von OS X in der abseits von OS X und iOS wenig verbreiteten Programmiersprache »Objective-C« oder der für iOS 8 und OS X Yosemite neu entwickelten Programmier- sprache »Swift« erzeugt werden. 1 … und Mac OS X. Die Frameworks Viele Funktionen werden dem Programmie- rer im iOS in Form von Frameworks angebo- ten. Diese Funktionen braucht der Program- mierer dann nicht selbst zu programmieren. Er muss die Funktion lediglich in sein Pro- gramm einbinden. Auch die integrierten Pro- gramme von Apple verwenden diese Frame- works. Drei Beispiele:
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