smartphone系统整合技术

Smartphone 系统整合技术 Smartphone 结合了手机和 PDA 的功能，设计它必须在成本和功能上做折衷，因此它的技术门槛很高。审视目前市场 上国际大厂的 Smartphone 平台架构，开放型硬件架构有：TI 的 OMAP 系列、Motorola 的 i.MXL 系列、Intel 的 XScale，当然还有一些厂商采用封闭型或称为专属型硬件架构，它们或许是采用上述的开放型硬件架构来设计（只是 不愿意公布而已），或是采用 ASIC 或 FPGA 来设计。在操作系统软件方面，Microsoft Windows Mobile 和 Symbian OS 是两大主流。此外，嵌入式 Linux 因为成本低廉，已经是系统制造商为了降低成本，不得不采用的替代 方案。 先进的硬件规格 Smartphone 的技术发展仍然在持续进行中，而且它和其它电子产品一样，依照市场需求，也有高档和低档之区分， 因此现在就想完全一窥它的全貌是不可能的。不过，我们倒是可以从国外大厂最近推出的新一代手机中，认识到未来 Smartphone 的硬件标准规格，这包含： 1. 结合影像和多媒体：低檔的 Smartphone 和 GSM 手机是不支持影像传输的，但是自从 3G 手机出现以后，影像压 缩技术会逐渐普及，所以高档的 Smartphone 除了具备 65,536 色的 TFT-LCD 以外，嵌入式数字相机也是必备的。 内建的录像机和影音播放/放映机（player），可以透过网际网络，传收和 3GPP 兼容的多媒体资料内容。此外，支持 GPRS 数据（data）通讯也是必备的。 2. 提供短距离无线通讯功能：透过蓝芽、红外线连接外部装置。 3. 支持多种储存媒体且储存量大：例如：SD 、MMC 、Memory Stick、CF等。 4. 多频道通讯：支持目前的 GSM 900/1800/1900 频道，未来会支持 3G、4G 频道，所以为了能让 Smartphone 能够流畅地完成跨网域的交递（handoff）功能，射频电路必须具有智能型的频谱不可知论（spectrum agnostic）的功能。意思就是说，不管是 2G 或 3G 或 4G 网络，同一台 Smartphone 都能够使用这些网络。 5. 省电电池：使用锂离子（Li-Ion）电池，持续通话时电力可达 24 小时，待机时电力可达 150240 小时，充电 时间 1.5 小时。 图一是现有国外大厂的 Smartphone 解决方案中比较完整的架构，我们可以看到许多外围接口，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 率传输资料。8kHz 的语音讯号是由 MCSI 传输。其 DSP 核心内包含三个多媒体延伸单元，可以有效改善功率效能。 这些单元分别是：移动估算（motion estimation）、离散余弦转换（DCT ）、逆向离散余弦转换（IDCT）和 1/2 像 素插值（interpolation），这些单元具有加速的功能，而且可以降低功率的消耗量。不过，为了要满足 3G 时代的需 求，此架构至少还需要内嵌或外部连接 W-CDMA（或 CDMA2000）调变器（modem）和数字相机模块才行。 图一：最新的 Smartphone 解决方案 系统整合技术 3G 时代的 Smartphone 必须具备 3G 手机和 PDA 的所有功能与实用性，所以颇具挑战性。严格而言，至今还没有一 个完全满足未来 Smartphone 硬件规格的解决方案存在。不过，一些基本的系统整合技术，无论在现阶段或未来先进 的 Smartphone 产品开发上都是必需具备的。下面就列出其中几项技术： 处理器（MPU） 处理器必须具备下列的一般性功能： 32 位大小，这是多媒体数据处理所必需的。 由操作系统（O.S.）决定选择 Little-Endian 或 Big-Endian，或者由处理器决定。当确定之后，程序设计时必须完 全遵守此规则，否则系统无法运作。 具有高速缓存（cache ），以加快处理速度。 具有内存管理单元（MMU ）。 具有一般和特权作业模式。藉由使用权限的不同，以防止使用者不慎破坏操作系统。 具有硬件中断（interrupt）讯号，可以提供给错误处理程序、软件中断例程（ISR）、取消程序使用。 具有重新开机的功能或重置讯号，能从错误状态中恢复正常。 当然，若处理器拥有下列功能，将有助于系统的整体效能： 耗电低 高速处理能力 价格低 指令集的长度不长，可加快处理速度。 （一）MMU： 能将内存的实体地址映像（map）到虚拟（线性）地址。 在处理程序（processes ）之间交递时、使用者程序和操作系统核心程序之间交递时，必须能保护内存。 支持小规模，4Kb 大小，分页（pages）模式。 支持大规模（以 1Mb 为单位）分页模式。 若是使用标准的二阶分页表（two-level page table）架构，内存地址的映像功能必须在第一阶（分页目录） 进行，而且它只占据转换旁视缓冲器（translation lookaside buffer；TLB ）的一项内容。 在 环境切换（context switch）时，能够快速地重新映像（remap）连续且大区域的虚拟内存。 内建有转换旁视缓冲器。 具有存取内存的控制权，依据处理器的不同模式（例如：监督者或使用者）、存取类别（例如：禁止存取、只读或 读写）、快取属性（例如：可快取或可暂存）。大多数二阶分页表架构支持这些作业。 建议使用 4Gb (32 位)的虚拟地址空间，虽然操作系统可以在更小的地址空间下运行。 地址空间识别码（Address Space Identifiers；ASID ）可以用来标示 TLB 中的每一笔项目。要清除某一项目 时，必须在环境切换下，一起清除 TLB 的全部内容。当有支持 ASID 时，至少必须提供 32 个独立的识别码，而 且不能占用内存太多的空间。 考虑到成本效益，应该尽量利用既有的 MMU，而不要自行去设计一个。 （二）高速缓存： 操作系统和许多种不同的高速缓存架构一起工作，这些包含： 实体或虚拟索引/ 附签（tag） 统一或分离的指令（哈佛计算机架构）和资料 逐一写入（write through）或逐批写回（ write back 或 copy Back） 同步写入或暂存写入 直接映像（direct mapped）、集结组合（set associative）或 完全组合（fully associative）的读写同时运作模 式。 高速缓存的工作模式是由编译器（compiler ）在编译时就决定的，因此程序设计者必须根据处理器的种类，选择适当 的软件开发工具。一些处理器内部高速缓存的组成架构详见表一。 处理器 寻址方式 组织 写入模式 是否暂存 ARM 710T/720T 虚拟 统一 逐一写入 是 ARM 920T 虚拟 分离 逐一写入或逐批写回 是 StrongARM 110 虚拟 分离 逐批写回 是 表一：高速缓存的组成架构 操作系统软件控制高速缓存，并确保主存储器里面的资料之完整性。它必须考虑下列作业状况： 环境的切换 不同处理程序之间的信息传收或复制 内存直接存取（DMA） 修复版程序代码（patching code）的下载更新 存取硬件 省电机能 对大多数嵌入式操作系统而言，它们大都不会用到直接映像（direct mapped）、集结组合（set associative）或完 全组合的读写同时运作模式。 （三）时脉速率（clock speed）： 虽然目前大多数的嵌入式操作系统，都能支持处理速度不快的微处理器，例如：18MHz 的 Psion Series5 ARM 710，但是随着 Smartphone 功能的增加，彩色、上网、多媒体都需要高速的微处理器支持，因此它至少要满足下列 条件： Smartphone 的一般处理速度必须在 50MHz 以上。 多媒体的通讯速度必须在 100MHz 以上。 此外，内存的处理速度和总线的频宽也会影响 Smartphone 的整体性能。 可编程的时脉速率控制系统，例如：锁相回路（phase lock loop；PLL）和电压控制电路（voltage control circuitry），可以降低 ASIC 的耗电量。在一个 CMOS 的电路之中，功率（P）、频率（f）、电压（V ）之间的关系 式是：P = kfV2，k 是常数，这表示只要频率或电压下降，功率消耗量就会减少。利用软件动态地控制时脉速率，一 般是 8 位的微控制器所采用的。32 位的微处理器大都是采用硬件方式来控制时脉速率，例如：当某一特定的硬件中断 （如接收到 Bluetooth 讯号）产生时，时脉速率就会增加。 电话到 PDA 之间的接口 因为 Smartphone 必须兼具手机和 PDA 的功能，所以一个完整的双核心（dual-core）解决方案是必需的。它要能够 满足下列的基本需求： 具有手机通讯功能的软件堆栈，能够在实时的操作系统环境下正常工作。 在忙碌的处理器运作下，PDA 应用软件能够同步地对使用者的不同操作要求，做出立即且正确的反应。 （一） 串行端口（serial port）通讯： 透过串行端口，信息从手机模块传送到 PDA 模块是最常见的一种应用。这需要： 标准的 UART 接口。 序列驱动程序要能够重复使用。 在手机模块中的调制解调器功能要能够重复使用。 此外，必须考虑到下列的问题： 要和既存的电话通讯软件兼容，它们只能在缓慢的速度下工作，譬如：9600bps。 要和上层的通讯协议兼容，这些协议可能是异步的，它们为了要完全控制全部的传输过程，常会要求将软件分别安 装在 PDA 和手机上，这可能会牵涉到这些软件能否被使用或重复使用，以及 AT 延伸命令的不同版本之间的兼容问题。 当我们要唤醒 PDA 时，可能就会因为软件之间的不兼容而终告失败。 电源管理问题。当唯一的通讯途径只有串行端口时，此问题将会更加棘手。 当不使用时，某些 UART 会自行关机，这将导致接收到的第一个字符会遗失。所以上层的通讯协议，必须注意此种 情况。 为了解决上述的部份问题，额外的硬件中断线路必须连接到手机与 PDA 的双核心之中。 （二） 共享式内存： 在 Smartphone 里面，透过一小区域的内存空间，手机模块也可以和 PDA 模块通讯。这内存空间也能达到高性能的 传输目的。共享式内存使软件的远程程序传呼（remote procedure call；RPC）机制成为可能，透过一些硬件 中断线路的连接，完整的异步通讯协议可以被使用。共享式内存所提供的通讯频宽比串行端口通讯多。不过，仍然需要 考虑下列的问题： 共享式内存的硬件比串行端口的复杂。 针对资料锁定和内存同步，必须仔细设计。 既存的电话通讯软件可能需要重新设计，以加入远程程序传呼的机制。 远程程序传呼软件模块的 PDA 端程序必须重新设计。 此外，在设计 Smartphone 的对外通讯功能时，还需要注意下列的问题： 电源管理，到底是谁控制谁？例如：PDA 是主控者、手机是从属者，或者相反。这还包括：开关切换的顺序、外围 的共享、紧急关机和电池管理。 在语音的控制、处理和传递中，手机模块控制这所有的过程吗？PDA 是否需要参予？PDA 能否存取语音数据？谁控 制处理语音的硬件？ 在飞机和医院里，PDA 的功能正常，但是手机的射频收发功能必须停止。 手机和 PDA 之间的通讯频宽必须大于无线电规格所定义的频宽（例如：GPRS 或 W-CDMA），这是为了要让资料 （data）能够快速传呼的目的。 不同软件之间的接口冲突或不兼容。 必须和既存的通讯软件互动，例如：蓝芽、MP3 编译码模块（codecs）。 要和手机附件配合，例如：充电器、免持听筒（hands-free kits）。 使用串行端口通讯时，必须具备穿透模式（Passthrough mode）的功能。所谓穿透就是指，使用者不需 要再经过繁琐的设定手续，就可以利用应用程序收发信息。手机可以被当成调制解调器，其它装置透过串行端口和它联 机，就可以上网或对外通讯。对软件而言，这功能也称作透明性（transparency）。 手机模块的生产测试很专业也很繁琐，投入的测量仪器成本也很高。 显示面板 LCD 是 Smartphone 的必备装置。除了面板本身，它内部还包含着一个控制器和一个讯框缓冲器（frame buffer）。 讯框缓冲器必须是一段连续的虚拟内存，通常这是指向 RAM 的连续实体地址。但是如果 LCD 控制器支持 DMA 的话， 也可以利用数个 RAM 构成实体区段（physical segm