多功能與新應(yīng)用對手機設(shè)計之挑戰(zhàn)
就短期而言，可運用多組應(yīng)用處理器發(fā)展出的過渡性解決方案，卻必須承擔大幅增加的耗電率、更短的電池續(xù)航力以及增加的零組件成本（BOM）。運用一組高效能核心處理通訊協(xié)定與各種應(yīng)用的單處理器模式，亦面臨耗電率的挑戰(zhàn)以及軟體復雜度等方面的問題。
將各種新應(yīng)用或新通訊功能加入這類系統(tǒng)已成為測試與檢驗工作的惡夢，不僅讓研發(fā)時程延長數(shù)個月的時間，更讓各種衍生機種的研發(fā)工作須耗費大量時間與成本。轉(zhuǎn)移至效能更高的新核心意謂須大幅改寫與重新測試程式碼，讓研發(fā)工作的時間大幅增加。
軟體是影響手機研發(fā)時程的一項重要因素?？s短各元件的研發(fā)與測試時間，可大幅地降低縮短產(chǎn)品上市時程以及獲利時間，但手機廠商亦須滿足電信業(yè)者對于新功能與新使用者介面的各種要求。軟體研發(fā)與測試是手機廠商的一項重大課題，它的重要性媲美程式碼是否能重復使用，而客制化與可修改的彈性之重要性則和系統(tǒng)的其它部份一樣等而次之。變更一顆高效能處理器中的任何一行程式碼，都須全面重新測試與檢驗整體系統(tǒng)。
針對系統(tǒng)各個部份使用多組處理器核心，不僅能克服軟體研發(fā)方面的挑戰(zhàn)，并能讓耗電率遠低于使用獨立應(yīng)用處理器的手機。一套軟體與硬體架構(gòu)設(shè)計完善的系統(tǒng)，將所有處理與週邊元件整合至單一晶片，能降低手機設(shè)計的復雜度，故能降低零組件數(shù)量、制造成本、硬體測試成本，同時加快手機本身的上市時程。
選擇一套業(yè)界標準的處理器架構(gòu)搭配可合成、可擴充的核心方案，讓整個架構(gòu)能在現(xiàn)今與未來皆能提供最佳的效能，滿足各類設(shè)計的需求，并維持軟體的相容性。再加上軟體研發(fā)方面的優(yōu)勢，這套模式將為手機研發(fā)業(yè)者與電信服務(wù)業(yè)者提供各種重要的優(yōu)勢。
新一代行動電話硬體架構(gòu)實例
以(圖一)的行動電話架構(gòu)為例，該架構(gòu)結(jié)合一組專屬的通訊引擎以及一組獨立應(yīng)用處理器，透過共用記憶體與各種週邊元件串連成單晶片。這套架構(gòu)能擴充應(yīng)用效能以及載送技術(shù)（bearer technologies）。因此，當載送技術(shù)從GPRS升級成EDGE與UMTS，并升級至新型的高速下鏈封包存?。℉igh Speed Data Packet Access； HSDPA）通訊協(xié)定時，通訊處理器可配合進行升級，且不會影響應(yīng)用處理器。同樣的，應(yīng)用處理器亦可進行修改，以支援MP3、影片播放以及影音通訊等應(yīng)用持續(xù)成長的多媒體處理需求。這種模式能重復使用現(xiàn)有的元件且不須重新設(shè)計整套架構(gòu)，實現(xiàn)個人頻寬的愿景。
2.5G GPRS/EDGE系統(tǒng)中內(nèi)含一套成熟的通訊引擎，以及內(nèi)建DSP16K數(shù)位訊號處理器以及ARM處理器。DSP引擎負責處理通訊鏈結(jié)中的即時元素，而ARM元件則處理高階通訊協(xié)定層。
(圖一) Agere“ Vision”行動電話架構(gòu)
這種架構(gòu)與單晶片模式有顯著的差異，在單晶片架構(gòu)中，所有應(yīng)用都是由同一顆處理器負責，處理器也須處理通訊鏈結(jié)方面的作業(yè)。這種模式讓處理器以及其記憶體子系統(tǒng)承受極大的負荷，所有應(yīng)用軟體須經(jīng)過全面的測試，并達到極高的可靠度，才不會影響手機的通訊品質(zhì)。例如，在應(yīng)用層發(fā)生緩沖區(qū)滿溢可能不會影響特定應(yīng)用，但卻會對通訊層面造成斷訊的問題。
應(yīng)用處理器
在圖一的行動電話架構(gòu)中，由一顆獨立處理器負責執(zhí)行各種應(yīng)用，其中包括高階作業(yè)系統(tǒng)。這種可擴充的架構(gòu)讓各種衍生系統(tǒng)能進行最佳化調(diào)整，以達到高效能，讓ARM應(yīng)用核心能為各種手機提供更廣泛的多媒體支援。該架構(gòu)亦支援每秒傳送30個畫格VGA解碼機制以及MPEG4/H263影片的編碼能力、 VGA彩色螢幕、Q-VGA副螢幕、500萬像素的數(shù)位相機功能、2D/3D繪圖以及3D立體聲喇叭等功能。這套功能強大的組合，為各種應(yīng)用提供一套理想的平臺，包括MMS多媒體簡訊、WAP網(wǎng)頁瀏覽、Java游戲以及影像電話等。
各處理器之間透過共用記憶體作為傳輸介面，并透過處理器控制單元（PCU）提供存取仲裁機制；這套機制能管理3組處理器在記憶體存取以及資料傳輸方面的作業(yè)，讓通訊引擎與應(yīng)用處理器使用一套共用記憶體，能省下可觀的零組件成本，成本遠比低于需要為通訊與應(yīng)用處理器單獨配置記憶體的架構(gòu)。
耗電管理
將所有處理器整合至晶片內(nèi)部可大幅提升耗電管理的效率；不須透過晶片外部鏈結(jié)管道與應(yīng)用處理器交流資料，就能省下可觀的電力，I/O區(qū)塊是耗電量最高的元件，因此避免使用晶片外部通訊鏈結(jié)，加上使用晶片內(nèi)部的記憶體，就能大幅地降低降低耗電率。時脈產(chǎn)生單元能在元件中提供重要的功率管理機制，可透過通訊核心中的功率管理軟體來控制耗電率，并利用在應(yīng)用核心上執(zhí)行的程式，提供不同等級的功率控制。透過整合性的設(shè)計、功率管理、加上制程技術(shù)，至少可節(jié)省一半的耗電率，因此能大幅降低行動電話的待機與通話時間。
獨立處理器在沒有使用時可降低耗電率，這種模式亦代表運用省電型處理器（power-efficient processor）來執(zhí)行大多數(shù)時間所使用的功能，而不需運用高效能處理器來執(zhí)行其它電話功能。為了讓運用單一處理器同時處理通話功能與各種新型多媒體應(yīng)用時能達到相同的效能，必須運用時脈超過250MHz的高性能處理器。這方面亦須轉(zhuǎn)移至其中一種高漏電流的硅元件制程，在待機模式下會耗用更多的電流，進而大幅降低縮短電池的續(xù)航力。一旦有漏電的狀況發(fā)生，即使處理器沒有運作也會耗用電力；在行動電話方面，待機模式的比率約佔去所有時間80％。當然多重核心的模式較為簡化，ARM與DSP16K核心具備完全可合成的能力。
支援持續(xù)演進的應(yīng)用
新一代的行動電話架構(gòu)亦允許其它週邊元件嵌入至模組化設(shè)計中，且不會影響應(yīng)用引擎或通訊引擎，讓業(yè)者較容易開發(fā)各種衍生型機種。目前開發(fā)出的裝置內(nèi)含USB OTG等週邊元件，以及UART、GPIO、SSI等標準資料介面，由于本身具有可延伸性，新一代的架構(gòu)允許整合效能更高的核心作為應(yīng)用處理器，藉此整合需要支援更先進多媒體應(yīng)用的裝置，同時保留基本的通訊引擎。
此外，新架構(gòu)的一項關(guān)鍵特色，就是當效能水準足夠時，能擴充通訊引擎，藉此提供更高效能的通訊功能，例如雙模WCDMA、GSM/GPRS/EDGE以及即將發(fā)表的HSDPA通訊協(xié)定。單晶片、多重核心的處理器屬于數(shù)位基頻元件，可搭配混合訊號元件處理，例如系統(tǒng)功率管理功能、與無線電子系統(tǒng)之間的介面、LCD與揚聲器的控制以及其它混合訊號區(qū)塊。為這類元件選擇像是最佳化混合訊號等合適的制程，是壓低系統(tǒng)耗電率的重要關(guān)鍵；而透過封裝技術(shù)整合所有元件，也能藉此節(jié)省機板空間以及元件的處理成本。
相輔相成的軟體架構(gòu)
從軟體的角度來看，從專屬的通訊引擎中區(qū)隔出各種通訊元素，確保業(yè)者能直接重復使用眾多成熟且能立即生產(chǎn)的即時程式碼。這種設(shè)計與單處理器模式有極大的差異，單處理器模式的通訊堆疊必須整合其它應(yīng)用，因此大幅增加軟體研發(fā)時間以及手機檢驗的時間。
(圖二) Vision行動電話軟體與工具架構(gòu)
以(圖二)架構(gòu)為例，該架構(gòu)程式碼支援四頻（800/900/1800/1900）GSM 系統(tǒng)，以及所有四種語言編/解碼器──半速、全速、增強型全速率功能（enhanced full-rate；EFR）以及可調(diào)式多重速度（AMR）。讓一套手機設(shè)計能應(yīng)用在全球各地，并讓像是Wideband-AMR這類研發(fā)中的新編/解碼器能支援在未來新世代的W-CDMA 3G手機。
DSP能處理底層的Level 1通訊協(xié)定堆疊，處理設(shè)定的細部步驟、以及針對通話資料進行切割與編碼處理。ARM能處理Level 2與Level 3通訊協(xié)定、無線電資源管理、行動與來電管理，加上一組小型的軟體層，做為與應(yīng)用處理器之間的溝通介面。
音效處理
雖然通訊是最重要的功能，但DSP亦可用來支援其它功能，其中最重要的就是音效。圖二的架構(gòu)能使DSP16K支援各種音效功能，例如44Kbit/s雙聲道高傳真音效解碼，這項功能在智慧型手機上已經(jīng)愈來愈為普遍。
將多重處理器整合至晶片的一項關(guān)鍵優(yōu)勢就是省電。通訊處理器子系統(tǒng)以及應(yīng)用處理器之間的通訊結(jié)構(gòu)，亦有助于節(jié)省耗電。這個通訊架構(gòu)是運用一套共用的記憶體，并由通訊處理器負責控制，若是使用分離元件就無法達到省電的目標。
先進的簡訊
這種設(shè)計讓處理器之間能採用新的通訊模式。以往應(yīng)用處理器都是透過AT指令與通訊子系統(tǒng)進行通訊。這些技術(shù)是現(xiàn)今電話最成熟、最可靠、且最有效的通訊管道。但隨著系統(tǒng)要求的效能持續(xù)攀升，加上耗電率的因素，使得這些指令愈來愈無法滿足產(chǎn)品的需求。其中一項最重要的缺點就是系統(tǒng)僅能以序列模式處理AT指令，且必須處理完一組指令后才能接著處理下一組指令。這種模式讓應(yīng)用處理器浪費許多執(zhí)行週期。另一方面，指令本身也存在一些問題。例如，要從資料模式切換至指令模式須使用+++指令，然而若資料流中出現(xiàn)+++這個字串，系統(tǒng)就會切換至指令模式，導致資料流的傳輸被迫中斷。
AT指令本身沒有封包或IP位址的概念，因此須加入點對點通訊協(xié)定（PPP）以支援網(wǎng)際網(wǎng)路的連線，但卻因此增加延遲的時間。像是EDGE與UMTS等這類需要新AT指令的新功能，不僅處理繁瑣且需要從頭開發(fā)出一套新介面，無法重復使用現(xiàn)有的技術(shù)，并且會延長研發(fā)與客制化的時間。例如Class 10 EDGE提供200Kbit/s 的下載速度以及100Kbut/s的上傳速度，是GPRS資料傳輸率的3倍。
目前有一種處理器之間介面問題的新解決方案──Advanced Messaging Interface （AMI）介面；這套技術(shù)運用共用記憶體介面，在GSM通訊協(xié)定層的頂層建置一套訊息通訊協(xié)定。指令可透過事件驅(qū)動機制以平行的模式同步處理，并在處理完指令時通知控制器。
這種設(shè)計不僅速度快、省電，亦能讓系統(tǒng)中不同部份能切換至睡眠模式，直到事件完成或是發(fā)生新事件為止。這對于封包型鏈結(jié)環(huán)境尤其有效，因為系統(tǒng)能在封包傳輸?shù)拈g隔之間切換至睡眠模式，不必像PPP鏈結(jié)一樣維持正常運作模式。
應(yīng)用架構(gòu)
在應(yīng)用處理器方面，新一代的應(yīng)用架構(gòu)，能作為功能唿叫或是函式庫，以支援各種高階作業(yè)系統(tǒng)，包括Symbian、Windows Mobile、PalmOS以及嵌入型Linux。這套架構(gòu)亦可用來建置各種環(huán)境，包括OpenWave、Esmertec以及Savaje在內(nèi)的業(yè)界領(lǐng)導供應(yīng)商皆已採納這套架構(gòu)。這套核心亦能處理像是GPS衛(wèi)星定位、3D繪圖、MPEG-4影片、藍芽網(wǎng)路以及AAC （Advanced Audio Coding）格式的壓縮技術(shù)與MP3音效等功能。
Java則是透過許多協(xié)力廠商提供的Java引擎，在應(yīng)用架構(gòu)中建立支援能力。像Esmertec提供的引擎就已預先整合至架構(gòu)中，運用各種功能唿叫，并透過AMI來存取不同處理器中的各種功能。這種設(shè)計能支援最新的Java Technology for the Wireless Industry （JTWI）技術(shù)，從已應(yīng)用在現(xiàn)今手機中的MIDP2與Connected Limited Device Configuration（CLDC）1.1規(guī)格中進一步升級。JTWI內(nèi)含支援無線簡訊的JSR120、支援Java游戲的JSR135以及一套多媒體API。
目前已有業(yè)者可運用其在發(fā)展軟體與硅元件的經(jīng)驗，協(xié)助現(xiàn)有的手機廠商運用這類軟體、作業(yè)系統(tǒng)以及Java環(huán)境，開發(fā)成針對應(yīng)用處理器進行最佳化設(shè)計的預先整合解決方案，不須再將協(xié)力廠商的應(yīng)用產(chǎn)品整合至系統(tǒng)。這種模式讓手機研發(fā)業(yè)者能專注于開發(fā)本身的應(yīng)用與提高產(chǎn)品的價值，毋須花費時間在整合協(xié)力廠商的環(huán)境。
客制化
客制化已成為手機研發(fā)業(yè)者與客戶的一項重要需求，手機研發(fā)業(yè)者需要一套能客制化的平臺，針對世界各地不同的區(qū)域以及每個區(qū)域中不同的電信業(yè)者，開發(fā)出量身訂制的方案，并能針對不同的客戶群設(shè)計適合的使用者介面。目前這方面的工作雖然耗時費力，但絕對是可能的工作。
新一代的行動電話架構(gòu)提供一套「品牌中心」，影像資料可以被儲存至一套通用軟體研發(fā)模型。這種設(shè)計讓業(yè)者能自行設(shè)計操作介面的架構(gòu)，以及唿叫出商標影像等相關(guān)資源。除了變更手機的色彩與字元外，這種模式亦能幫助業(yè)者輕易地變更功能表的結(jié)構(gòu)，以配合電信業(yè)者的服務(wù)以及優(yōu)先順序，這種客制化功能亦可被零售商所運用，在手機中加入最新的螢幕保護程式或廣告圖像，大幅降低存貨控制的風險、以及電信業(yè)者與零售商面臨存貨過剩的機率。而以上皆可透過先進的研發(fā)工具達成，支援設(shè)計、生產(chǎn)以及測試等方面的工作；這些工具可應(yīng)用在整套設(shè)計與支援硬體上，支援商業(yè)層級的模擬與客制化。
此外，透過參與Field Type Approval（FTA）、Global Certification Forum（GCF）論壇的測試以及PCS Type Certification Review Board（PTCRB）委員會等機構(gòu)，并與全球各地的電信業(yè)者合作進行實地互通性測試，亦能累積相關(guān)知識，了解互通性測試、不同基地臺供應(yīng)商之間的差異以及如何滿足手機所有層面的需求等要素。
結(jié)語
模組化的設(shè)計為行動電話業(yè)者提供了極可觀的助益，業(yè)者已改良通訊引擎上的軟體以滿足技術(shù)規(guī)格的要求，并維持不同系列機種的一致性、降低研發(fā)的風險以及縮短手機的上市時程；這些手機都會行銷至世界各地市場。這些目標都可透過多重核心架構(gòu)來實現(xiàn)。這種架構(gòu)透過單一晶片提供低耗電、以及降低零組件成本等利益，并將應(yīng)用處理器與即時通訊子系統(tǒng)加以區(qū)隔，藉此帶來軟體研發(fā)以及檢驗等方面的優(yōu)勢。
具備豐富經(jīng)驗的晶片業(yè)者，能讓手機廠商移植現(xiàn)有最佳化且通過測試的軟體，藉此縮短產(chǎn)品的上市時程，并可運用協(xié)力廠商推出的各種可立即投產(chǎn)、與預先整合的環(huán)境，讓手機廠商藉由開發(fā)應(yīng)用軟體，為其手機融入更多的附加價值。而各種工具讓業(yè)者甚至零售商均能輕易對手機進行客制化，進一步突顯產(chǎn)品在市場上的特色。（本文原載于零組件雜志第155期；作者為Agere Systems行動終端IC行銷總監(jiān)）
