试谈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 segments），这些区段被重新映像到连续的虚拟内存上。讯框缓冲器必须是n个位像素（pixel）和非位平面（not bit-planes）的组合。LCD的每一行都要能够填值，如此才能显示一群完整的字符。像素大小（位深度）必须是2的次方，其值不满2的次方时，空出的位需填入空值，例如：12位的像素，为了等于 （16）位，将其余4位填成空值。LCD控制器将讯框缓冲器里的内容转换成屏幕上的像素。图形处理软件需要RAM当成讯框缓冲器，这样才能自由地读出、写入和修改像素。因为成本的考量和SoC技术的精进，越来越多的LCD显示器已经将面板、控制器、讯框缓冲器整合在一起。这样不会降低微处理器CPU的速度，也能降低耗电量。语音处理一般而言，Smartphone对语音的要求不高，但是其内部大都采用脉冲编码调变（PCM）的格式来存取资料。一般常用的语音输出规格是：16位，立体声，PCM在44.1 kHz下工作。处理语音的硬件必须能接受标准的取样频率，例如：8000、11025、22