智能型手机之软硬件系统开发策略

智能型手机之软硬件系统开发策略

在手持设备的市场，若以3C属性来区分的话，代表性的产品有通信专用的语音手机（Voice phone）、强调资讯处理的PDA，以及最近兴起的PMP（可携式媒体播放器）。这种鲜明的区隔定位拥有一定的客户市场，不过，其中的界限却已愈来愈模煳，尤其是在最大宗的手机市场上，随着3G高速频宽及IP网路化的实现，加上多媒体功能的不断强化，在在都将智能型手机（Smartphone）推上主流市场产品的地位。

目前市场上手机推陈出新的速度惊人，这些繁浩的架上手机，大致又可以区分为三大类，即只有基本语音及短信功能的语音手机（Voice Phone）；已具有收送数据资料的能力，但编辑处理的功能有限，而且同时间也只能处理一项工作的功能手机（Feature Phone）；以及犹如一台迷你型电脑的智能型手机，它除了具有较强的资料编辑管理能力，更能提供音、视频、游戏的多媒体应用服务，也能同时处理多项工作。

在一台智能型手机上，3C的功能已一应俱全，包括语音、短信（messaging）、认证（Authentication）、计费（Billing）等通信功能；Email、行事历、资讯管理、Sync、安全性等资讯处理功能；视频、照相、游戏、TV、串流、音乐、DRM等多媒体应用功能。

在与语音手机、功能手机差异不大的手持尺寸中，却要求达到如此多样化的功能，而且还不允许缩短电池的使用寿命，智能型手机的设计难度就可想而知。它必须採用高效能、低耗电和易开发的软、硬件系统架构，以及高整合度的元件；除了要搭配更大容量的记忆体外，手机平台也得支援多样的介面标准，例如照相、彩色显示、TV输出、IrDA、Bluetooth、USB、音频和多种型式的记忆卡，以及传统式键盘和复杂的无线数据机等。这些都是智能型手机在开发上必须面对的挑战。

系统架构开发原则

虽然智能型手机的功能性繁复，但基于上市时程的压力，手机业者必须透过规划良好的系统架构来降低设计上的复杂度。为了达成这项要求，业界已出现不少的晶片架构及系统作法，但仍有一些设计上的共识，包括专业分工、开放性、标准化、阶层化和提高可再利用性及定制弹性等等原则。以下介绍几项开发原则： 1. 专业分工 在专业分工上，最明显的作法即是採取通信与应用分离的平行架构，由基频处理器专心处理通信数据，其他的多媒体等应用功能则交给应用处理器来处理。这是一种「独立于数据机」（modem-agnostic）的处理架构，一方面让应用处理器能充分发挥Symbian、Windows Mobile或Linux等高阶作业系统的应用能力，另一方面也能确保各种服务与应用不会受到无线技术的影响，进而赋与产品更高的可携性。

在此架构下，基频元件能随GSM/GPRS/WCDMA/HSDPA等规格的演进而发展，应用元件也能因应视频、音频、绘图等需求的改变而扩充其功能，例如支援高达每秒30讯框的VGA解码和H.264/VC-1视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M画素的数字照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声喇叭等。

2. 再利用性

就再利用性来说，将通过验证合格、可用于生产的通信处理即时程式码独立出来，就不会受

到应用功能的限制，而能重覆且直接的再次被使用。这样做的好处很明显，软件开发一向是影响手机上市时程一大主因，往往为了小部分程式码的更动，就得对整个系统进行重新验证和测试的工作，相当耗时。在独立出成熟的程式码后，可以将设计、验证及测试上的复杂度降低，大幅缩短开发的时程。

3. 阶层化沟通介面

但如何做好通信与应用两者之间的沟通，仍是设计上的一大挑战。在上一文中有提出开放性架构中基于硬件抽象（hardware abstraction）的介面作法，此架构同时提供上层和下层的观点，上层的观点提供应用程式撰写者一套针对特定作业系统的统一软件介面，并对底层的处理器设计加以抽象化；底层观点是针对LCD控制器、影像感测器或照相机等一般性应用週边的一组标准硬件介面。

此架构因採用标准化的介面，因此与系统中个别单元的技术或架构作法无关，只需透过一组一致性的API来进行上层作业系统与下层硬件的沟通。如此一来，应用软件从底层的平台架构给分离出来，开发者只需从上层架构的观点对应用程式做抽象层级的开发，而不用对底层的实体平台做直接的唿叫，这让产品能更快速的开发，在平台更新时也不需犠牲效能或程式码的可互操作性（interoperability），应用功能只需要写一次就够了。不仅如此，由于此一架构的平台具有通透性，制造商也很容对硬件和软件做各种功能升级。请参考(图一)。

图一 智能型手机阶层式介面架构

资料来源：ST

硬件平台架构

在智能型手机的硬件架构中，应用处理器已是其灵魂的中心。目前市场上接受度最高的应用处理器核心，无疑当属ARM核心，它可以说是产业标准的手持设备处理器核心。以Nomadik平台所採用ARM926EJ-S核心来说，它是一个强大的32位元RISC核心，在一般情况下，它能在ST的0.13微米CMOS制程产品上达到350MHz的速度。这个核心包括一个记忆体管理单位（MMU）、32Kbytes指令快取（instruction cache）、16Kbytes资料快取、一个能执行单一循环MAC的16 x 32 bit乘法器（multiplier），以及具有强大的即时除错支援能力。 ARM926EJ-S包含ARM专门针对Java加速而推出的Jazelle技术，这项ARM的延伸功能可以执行139个在硬件中，以及88个以上在软件中最常用的Java位元组程式码。在运作时，大约95%的Java位元组程式码可由硬件加速器来执行，其他5%较少使用的Java位元组程式码则由专门为了与Jazelle硬件工作而撰写的最佳化Java虚拟机器（JVM）来执行。

ARM926的主要功能特色包括：32/16-bit RISC架构，并採用业界标准的AMBA bus AHB介面；16-bit Thumb指令集，用于增加的程式码空间；DSP指令延伸和单一循环 MAC；Java程式码位元组的高执行效率，即0.075 mW/CaffeineMarks、6 CM/MHz（相当于2100CM @ 350 MHz）。

除了採用ARM主处理器外，如上篇文章所述，在Nomadik的硬件平台中还搭配採用智能加速器来分担应付所有在音频和视频上的前、后处理任务，让这颗主处理器能长期处于省电模式下，并更专注于适合它来发挥的控制工作。随着智能型手机应用需求的增加，未来可能有更多的专属加速器将出现在硬件平台中，以满足3D绘图、资料加密和生物辨识等服务或应用功能。

此外，由于移动设备内部的资料传输日趋复杂而频繁，移动平台中的各个硬件单元也得採用理想的互连技术来沟通。以Nomadik来说，它採用了多层式AMBA crossbar互连技术，这能让在CPU、多媒体加速器、系统记忆体和週边之间的资料频宽能达到最大；其週边支援Symbian、Linux和Windows CE.NET等高阶作业系统，也支援行动多媒体应用所需要的外部介面，如LCD、MMC和安全性数字介面卡和外部的音频编解码器（codecs）。