試談Smartphone系統(tǒng)整合技術(shù)

1、Smartphone系統(tǒng)整合技術(shù)Smartphone結(jié)合了手機(jī)和PDA的功能，設(shè)計(jì)它必須在成本和功能上做折衷，因此它的技術(shù)門(mén)檻專(zhuān)門(mén)高。審視目前市場(chǎng)上國(guó)際大廠(chǎng)的Smartphone平臺(tái)架構(gòu)，開(kāi)放型硬件架構(gòu)有：TI的OMAP系列、Motorola的 i.MXL系列、Intel的XScale，因此還有一些廠(chǎng)商采納封閉型或稱(chēng)為專(zhuān)屬型硬件架構(gòu)，它們或許是采納上述的開(kāi)放型硬件架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)（只是不情愿公布而已），或是采納ASIC或FPGA來(lái)設(shè)計(jì)。在操作系統(tǒng)軟件方面，Microsoft Windows Mobile和Symbian OS是兩大主流。此外，嵌入式Linux因?yàn)槌杀镜土?，差不多是系統(tǒng)制造商為了降低成

2、本，不得不采納的替代方案。先進(jìn)的硬件規(guī)格Smartphone的技術(shù)進(jìn)展仍然在持續(xù)進(jìn)行中，而且它和其它電子產(chǎn)品一樣，依照市場(chǎng)需求，也有高檔和低檔之區(qū)分，因此現(xiàn)在就想完全一窺它的全貌是不可能的。只是，我們倒是能夠從國(guó)外大廠(chǎng)最近推出的新一代手機(jī)中，認(rèn)識(shí)到以后Smartphone的硬件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，這包含：1. 結(jié)合影像和多媒體：低檔的Smartphone和GSM手機(jī)是不支持影像傳輸?shù)?，然而自?G手機(jī)出現(xiàn)以后，影像壓縮技術(shù)會(huì)逐漸普及，因此高檔的Smartphone除了具備65,536色的TFT-LCD以外，嵌入式數(shù)字相機(jī)也是必備的。內(nèi)建的錄像機(jī)和影音播放/放映機(jī)（player），能夠透過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)，傳收和

3、3GPP兼容的多媒體資料內(nèi)容。此外，支持GPRS數(shù)據(jù)（data）通訊也是必備的。 2. 提供短距離無(wú)線(xiàn)通訊功能：透過(guò)藍(lán)芽、紅外線(xiàn)連接外部裝置。3. 支持多種儲(chǔ)存媒體且儲(chǔ)存量大：例如：SD、MMC、Memory Stick、CF等。4. 多頻道通訊：支持目前的GSM 900/1800/1900頻道，以后會(huì)支持3G、4G頻道，因此為了能讓Smartphone能夠流暢地完成跨網(wǎng)域的交遞（handoff）功能，射頻電路必須具有智能型的頻譜不可知論（spectrum agnostic）的功能。意思確實(shí)是講，不管是2G或3G或4G網(wǎng)絡(luò)，同一臺(tái)Smartphone都能夠使用這些網(wǎng)絡(luò)。5. 省電電池：使用鋰離

4、子（Li-Ion）電池，持續(xù)通話(huà)時(shí)電力可達(dá)24小時(shí)，待機(jī)時(shí)電力可達(dá)150240小時(shí)，充電時(shí)刻1.5小時(shí)。圖一是現(xiàn)有國(guó)外大廠(chǎng)的Smartphone解決方案中比較完整的架構(gòu)，我們能夠看到許多外圍接口，包含：UART、USB、SPI、PCM、GPIO、PWT（pulse width tone）、PWL（pulse width light）、McBSP（multi-channel buffered serial port）、MCSI（multi-channel serial interface）、等。McBSP以最高6Mbps的速率傳輸資料。8kHz的語(yǔ)音訊號(hào)是由MCSI傳輸。其DSP核心內(nèi)包含三個(gè)多

5、媒體延伸單元，能夠有效改善功率效能。這些單元分不是：移動(dòng)估算（motion estimation）、離散余弦轉(zhuǎn)換（DCT）、逆向離散余弦轉(zhuǎn)換（IDCT）和1/2像素插值（interpolation），這些單元具有加速的功能，而且能夠降低功率的消耗量。只是，為了要滿(mǎn)足3G時(shí)代的需求，此架構(gòu)至少還需要內(nèi)嵌或外部連接W-CDMA（或CDMA2000）調(diào)變器（modem）和數(shù)字相機(jī)模塊才行。圖一：最新的Smartphone解決方案系統(tǒng)整合技術(shù)3G時(shí)代的Smartphone必須具備3G手機(jī)和PDA的所有功能與有用性，因此頗具挑戰(zhàn)性。嚴(yán)格而言，至今還沒(méi)有一個(gè)完全滿(mǎn)足以后Smartphone硬件規(guī)格的解決方

6、案存在。只是，一些差不多的系統(tǒng)整合技術(shù)，不管在現(xiàn)時(shí)期或以后先進(jìn)的Smartphone產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上差不多上必需具備的。下面就列出其中幾項(xiàng)技術(shù)：處理器（MPU）處理器必須具備下列的一般性功能： 32位大小，這是多媒體數(shù)據(jù)處理所必需的。 由操作系統(tǒng)（O.S.）決定選擇Little-Endian或Big-Endian，或者由處理器決定。當(dāng)確定之后，程序設(shè)計(jì)時(shí)必須完全遵守此規(guī)則，否則系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)作。 具有高速緩存（cache），以加快處理速度。 具有內(nèi)存治理單元（MMU）。 具有一般和特權(quán)作業(yè)模式。藉由使用權(quán)限的不同，以防止使用者不慎破壞操作系統(tǒng)。 具有硬件中斷（interrupt）訊號(hào)，能夠提供給錯(cuò)誤處理

7、程序、軟件中斷例程（ISR）、取消程序使用。 具有重新開(kāi)機(jī)的功能或重置訊號(hào)，能從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)正常。因此，若處理器擁有下列功能，將有助于系統(tǒng)的整體效能： 耗電低 高速處理能力 價(jià)格低 指令集的長(zhǎng)度不長(zhǎng)，可加快處理速度。（一）MMU： 能將內(nèi)存的實(shí)體地址映像（map）到虛擬（線(xiàn)性）地址。 在處理程序（processes）之間交遞時(shí)、使用者程序和操作系統(tǒng)核心程序之間交遞時(shí)，必須能愛(ài)護(hù)內(nèi)存。 支持小規(guī)模，4Kb大小，分頁(yè)（pages）模式。 支持大規(guī)模（以1Mb為單位）分頁(yè)模式。 若是使用標(biāo)準(zhǔn)的二階分頁(yè)表（two-level page table）架構(gòu)，內(nèi)存地址的映像功能必須在第一階（分頁(yè)目錄）進(jìn)行

8、，而且它只占據(jù)轉(zhuǎn)換旁視緩沖器（translation lookaside buffer；TLB）的一項(xiàng)內(nèi)容。 在環(huán)境切換（context switch）時(shí)，能夠快速地重新映像（remap）連續(xù)且大區(qū)域的虛擬內(nèi)存。 內(nèi)建有轉(zhuǎn)換旁視緩沖器。 具有存取內(nèi)存的操縱權(quán)，依據(jù)處理器的不同模式（例如：監(jiān)督者或使用者）、存取類(lèi)不（例如：禁止存取、只讀或讀寫(xiě)）、快取屬性（例如：可快取或可暫存）。大多數(shù)二階分頁(yè)表架構(gòu)支持這些作業(yè)。 建議使用4Gb (32位)的虛擬地址空間，盡管操作系統(tǒng)能夠在更小的地址空間下運(yùn)行。 地址空間識(shí)不碼（Address Space Identifiers；ASID）能夠用來(lái)標(biāo)示TLB中的

9、每一筆項(xiàng)目。要清除某一項(xiàng)目時(shí)，必須在環(huán)境切換下，一起清除TLB的全部?jī)?nèi)容。當(dāng)有支持ASID時(shí)，至少必須提供32個(gè)獨(dú)立的識(shí)不碼，而且不能占用內(nèi)存太多的空間。 考慮到成本效益，應(yīng)該盡量利用既有的MMU，而不要自行去設(shè)計(jì)一個(gè)。（二）高速緩存：操作系統(tǒng)和許多種不同的高速緩存架構(gòu)一起工作，這些包含： 實(shí)體或虛擬索引/附簽（tag） 統(tǒng)一或分離的指令（哈佛計(jì)算機(jī)架構(gòu)）和資料 逐一寫(xiě)入（write through）或逐批寫(xiě)回（write back或copy Back） 同步寫(xiě)入或暫存寫(xiě)入 直接映像（direct mapped）、集結(jié)組合（set associative）或 完全組合（fully associ

10、ative）的讀寫(xiě)同時(shí)運(yùn)作模式。高速緩存的工作模式是由編譯器（compiler）在編譯時(shí)就決定的，因此程序設(shè)計(jì)者必須依照處理器的種類(lèi)，選擇適當(dāng)?shù)能浖_(kāi)發(fā)工具。一些處理器內(nèi)部高速緩存的組成架構(gòu)詳見(jiàn)表一。處理器尋址方式組織寫(xiě)入模式是否暫存ARM 710T/720T虛擬統(tǒng)一逐一寫(xiě)入是ARM 920T虛擬分離逐一寫(xiě)入或逐批寫(xiě)回是StrongARM 110虛擬分離逐批寫(xiě)回是表一：高速緩存的組成架構(gòu)操作系統(tǒng)軟件操縱高速緩存，并確保主存儲(chǔ)器里面的資料之完整性。它必須考慮下列作業(yè)狀況： 環(huán)境的切換 不同處理程序之間的信息傳收或復(fù)制 內(nèi)存直接存?。―MA） 修復(fù)版程序代碼（patching code）的下載更新

11、 存取硬件 省電機(jī)能對(duì)大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)而言，它們大都可不能用到直接映像（direct mapped）、集結(jié)組合（set associative）或完全組合的讀寫(xiě)同時(shí)運(yùn)作模式。（三）時(shí)脈速率（clock speed）：盡管目前大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)，都能支持處理速度不快的微處理器，例如：18MHz的Psion Series5 ARM 710，然而隨著Smartphone功能的增加，彩色、上網(wǎng)、多媒體都需要高速的微處理器支持，因此它至少要滿(mǎn)足下列條件： Smartphone的一般處理速度必須在50MHz以上。 多媒體的通訊速度必須在100MHz以上。此外，內(nèi)存的處理速度和總線(xiàn)的頻寬也會(huì)阻礙Sm

12、artphone的整體性能?？删幊痰臅r(shí)脈速率操縱系統(tǒng)，例如：鎖相回路（phase lock loop；PLL）和電壓操縱電路（voltage control circuitry），能夠降低ASIC的耗電量。在一個(gè)CMOS的電路之中，功率（P）、頻率（f）、電壓（V）之間的關(guān)系式是：P = kfV2，k是常數(shù)，這表示只要頻率或電壓下降，功率消耗量就會(huì)減少。利用軟件動(dòng)態(tài)地操縱時(shí)脈速率，一般是8位的微操縱器所采納的。32位的微處理器大差不多上采納硬件方式來(lái)操縱時(shí)脈速率，例如：當(dāng)某一特定的硬件中斷（如接收到Bluetooth訊號(hào)）產(chǎn)生時(shí)，時(shí)脈速率就會(huì)增加。電話(huà)到PDA之間的接口因?yàn)镾martphone

13、必須兼具手機(jī)和PDA的功能，因此一個(gè)完整的雙核心（dual-core）解決方案是必需的。它要能夠滿(mǎn)足下列的差不多需求： 具有手機(jī)通訊功能的軟件堆棧，能夠在實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)環(huán)境下正常工作。 在忙碌的處理器運(yùn)作下，PDA應(yīng)用軟件能夠同步地對(duì)使用者的不同操作要求，做出立即且正確的反應(yīng)。（一） 串行端口（serial port）通訊：透過(guò)串行端口，信息從手機(jī)模塊傳送到PDA模塊是最常見(jiàn)的一種應(yīng)用。這需要： 標(biāo)準(zhǔn)的UART接口。 序列驅(qū)動(dòng)程序要能夠重復(fù)使用。 在手機(jī)模塊中的調(diào)制解調(diào)器功能要能夠重復(fù)使用。此外，必須考慮到下列的問(wèn)題： 要和既存的電話(huà)通訊軟件兼容，它們只能在緩慢的速度下工作，譬如：9600bp

14、s。 要和上層的通訊協(xié)議兼容，這些協(xié)議可能是異步的，它們?yōu)榱艘耆倏v全部的傳輸過(guò)程，常會(huì)要求將軟件分不安裝在PDA和手機(jī)上，這可能會(huì)牽涉到這些軟件能否被使用或重復(fù)使用，以及AT延伸命令的不同版本之間的兼容問(wèn)題。當(dāng)我們要喚醒PDA時(shí)，可能就會(huì)因?yàn)檐浖g的不兼容而終告失敗。 電源治理問(wèn)題。當(dāng)唯一的通訊途徑只有串行端口時(shí)，此問(wèn)題將會(huì)更加棘手。 當(dāng)不使用時(shí)，某些UART會(huì)自行關(guān)機(jī)，這將導(dǎo)致接收到的第一個(gè)字符會(huì)遺失。因此上層的通訊協(xié)議，必須注意此種情況。為了解決上述的部份問(wèn)題，額外的硬件中斷線(xiàn)路必須連接到手機(jī)與PDA的雙核心之中。（二） 共享式內(nèi)存：在Smartphone里面，透過(guò)一小區(qū)域的內(nèi)存空間

15、，手機(jī)模塊也能夠和PDA模塊通訊。這內(nèi)存空間也能達(dá)到高性能的傳輸目的。共享式內(nèi)存使軟件的遠(yuǎn)程程序傳呼（remote procedure call；RPC）機(jī)制成為可能，透過(guò)一些硬件中斷線(xiàn)路的連接，完整的異步通訊協(xié)議能夠被使用。共享式內(nèi)存所提供的通訊頻寬比串行端口通訊多。只是，仍然需要考慮下列的問(wèn)題： 共享式內(nèi)存的硬件比串行端口的復(fù)雜。 針對(duì)資料鎖定和內(nèi)存同步，必須認(rèn)真設(shè)計(jì)。 既存的電話(huà)通訊軟件可能需要重新設(shè)計(jì)，以加入遠(yuǎn)程程序傳呼的機(jī)制。 遠(yuǎn)程程序傳呼軟件模塊的PDA端程序必須重新設(shè)計(jì)。此外，在設(shè)計(jì)Smartphone的對(duì)外通訊功能時(shí)，還需要注意下列的問(wèn)題： 電源治理，到底是誰(shuí)操縱誰(shuí)？例如：PD

16、A是主控者、手機(jī)是從屬者，或者相反。這還包括：開(kāi)關(guān)切換的順序、外圍的共享、緊急關(guān)機(jī)和電池治理。 在語(yǔ)音的操縱、處理和傳遞中，手機(jī)模塊操縱這所有的過(guò)程嗎？PDA是否需要參予？PDA能否存取語(yǔ)音數(shù)據(jù)？誰(shuí)操縱處理語(yǔ)音的硬件？ 在飛機(jī)和醫(yī)院里，PDA的功能正常，然而手機(jī)的射頻收發(fā)功能必須停止。 手機(jī)和PDA之間的通訊頻寬必須大于無(wú)線(xiàn)電規(guī)格所定義的頻寬（例如：GPRS或W-CDMA），這是為了要讓資料（data）能夠快速傳呼的目的。 不同軟件之間的接口沖突或不兼容。 必須和既存的通訊軟件互動(dòng)，例如：藍(lán)芽、MP3編譯碼模塊（codecs）。 要和手機(jī)附件配合，例如：充電器、免持聽(tīng)筒（hands-free

17、kits）。 使用串行端口通訊時(shí)，必須具備穿透模式（Passthrough mode）的功能。所謂穿透確實(shí)是指，使用者不需要再通過(guò)繁瑣的設(shè)定手續(xù)，就能夠利用應(yīng)用程序收發(fā)信息。手機(jī)能夠被當(dāng)成調(diào)制解調(diào)器，其它裝置透過(guò)串行端口和它聯(lián)機(jī)，就能夠上網(wǎng)或?qū)ν馔ㄓ?。?duì)軟件而言，這功能也稱(chēng)作透明性（transparency）。 手機(jī)模塊的生產(chǎn)測(cè)試專(zhuān)門(mén)專(zhuān)業(yè)也專(zhuān)門(mén)繁瑣，投入的測(cè)量?jī)x器成本也專(zhuān)門(mén)高。顯示面板LCD是Smartphone的必備裝置。除了面板本身，它內(nèi)部還包含著一個(gè)操縱器和一個(gè)訊框緩沖器（frame buffer）。訊框緩沖器必須是一段連續(xù)的虛擬內(nèi)存，通常這是指向RAM的連續(xù)實(shí)體地址。然而假如LCD操縱

18、器支持DMA的話(huà)，也能夠利用數(shù)個(gè)RAM構(gòu)成實(shí)體區(qū)段（physical segments），這些區(qū)段被重新映像到連續(xù)的虛擬內(nèi)存上。訊框緩沖器必須是n個(gè)位像素（pixel）和非位平面（not bit-planes）的組合。LCD的每一行都要能夠填值，如此才能顯示一群完整的字符。像素大?。ㄎ簧疃龋┍仨毷?的次方，其值不滿(mǎn)2的次方時(shí)，空出的位需填入空值，例如：12位的像素，為了等于 （16）位，將其余4位填成空值。LCD操縱器將訊框緩沖器里的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成屏幕上的像素。圖形處理軟件需要RAM當(dāng)成訊框緩沖器，如此才能自由地讀出、寫(xiě)入和修改像素。因?yàn)槌杀镜目剂亢蚐oC技術(shù)的精進(jìn)，越來(lái)越多的LCD顯示器差不多將面板、操縱器、訊框緩沖器整