智能手机：分离与集成的设计考虑

作者：Alessandro Araldi

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 在智能手机中采用何种集成程度的器件将对系统的成本、性能、外形尺寸以及开发周期等产生影响。本文详细分析三种不同集成程度的方案，阐述了它们各自的优缺点和适用场合，为设计方案的选择提供了实用的分析思路。 手机设计工程师目前所要面对的关键问题之一是：应用处理器和调制解调器要集成到什么程度，才能更好地为市场营销目标服务。为更有效地满足OEM的需求，手机系统设计工程师是应该采用分离元件呢，还是采用系统级芯片？对这个问题的回答非常重要，因为在这一层面上对设计方向的选择将影响很多技术及竞争变数，这些变数决定了在市场上取得成功的关键因素-系统成本、硬件外形尺寸、上市时间、对不同无线标准的适应性、功耗以及整体性能。在设计过程的早期选择最佳的方法有助于使OEM成为市场的领导者，而不是跟随者。 尽管这个问题很重要，但它并没有一个确切的答案。目前市场上每种集成程度的方案都具有其自身的优点和缺点，OEM必须对这些不同方案内在的折衷进行权衡，以选择一个最能满足他们设计和营销目标的集成程度。 当前的三种可选方案 目前有三种不同集成程度的方案可供手机设计工程师选择。它们分别是： 方案一：应用处理器和调制解调器分离。设计手机的传统方法是采用独立的应用处理器和调制解调器，每种器件也许包含若干个处理内核。例如，在应用处理器里面有一个RISC内核(如ARM9或ARM11)用于实现高中断命令、控制以及用户接口的功能，还有一个DSP(如TI的TMS320C55 DSP器件)用于进行高度重复、数学运算量大的音频和视频处理。同样，调制解调器可以通过ARM以很高的效率来处理协议栈第二层和第三层，而协议栈第一层则由DSP来处理。 无论器件采用什么架构，它们都是完全独立的，这使系统设计工程师能够尽量提高系统的灵活性和性能。因为相同应用处理器可以用于不同的调制解调器技术和空中接口标准(GSM/GPRS、EDGE、UMTS和CDMA)，所以这种配置提供了最大的灵活性。此外，它还允许OEM选择不同的应用处理器和调制解调器供应商。 这种方案能获得最高系统性能是由于应用处理器可以使用专用资源(存储器和总线)，以及在没有调制解调器带来的功率约束下采用最新的工艺技术。然而与此同时，这种方法使设计工程师面临的工作复杂化，因为他们必须集成分离的硬件元件，并且要开发和整合使应用处理器和调制解调器能有效进行通信的电话软件层。因为应用处理器和调制解调器可能完全来自不同的生产商，所以由第三方完成或提供它们之间硬件和软件的整合的机会很小。 通常与应用处理器一起提供的软件开发平台可加快整合的过程，然而对硬件和软件的设计、整合及调试可能使整个系统的开发周期增加好几个星期。 方案二：应用处理器和调制解调器集成在同一块芯片里。集成电路设计技术的最新进展允许芯片制造商将应用处理器和调制解调器集成在一个器件里。通常情况下，这个集成的器件使用多个处理内核来完成相同的工作，而这些工作在分离器件的配置中是由两个器件完成的。对于智能电话应用，一个强大的ARM处理器可以与专用的硬件加速器配合起来管理应用功能，另一个ARM处理器和一个DSP则用来实现调制解调器功能。对于功能丰富而又要求低成本的应用，应用功能和调制解调器功能共用一个ARM内核，而DSP专门用于实现调制解调器功能。 为实现更高的系统集成，TI将OMAP器件与电源管理器件、RF器件捆绑在一个芯片组内。这些器件都经过了优化，可以在一起无缝协同工作。系统设计工程师在获得芯片组的同时，还可得到一个完整的硬件和软件参考设计，这些参考设计可以被修改，以提供丰富功能或者实现特定设计目标。 这种方案通过允许应用内核和调制解调器内核共用内存和电源管理芯片来降低系统成本。另外，连接应用处理器和调制解调器功能所需的逻辑也更少，这也可降低系统成本。 在单芯片中集成应用处理器和调制解调器还可简化系统设计，并缩短产品上市时间。从硬件角度来看，通过提供原理图和针对可制造性进行优化的布局布线文件，使手机的PCB设计变得容易。 从软件角度来看，这种方案不需要开发和整合连接操作系统与协议堆栈的电话软件层。因为应用处理器和调制解调器为固定配对，所以半导体制造商能够开发并验证电话软件以实现内核之间的有效通信。而且，半导体制造商还经常对其参考设计进行实际电话必须通过的相同测试(如全面型号认证、互操作性测试、运营商现场测试等)。提前完成这些工作可以加快产品上市，然而，这种集成度限制了设计工程师搭配和匹配应用处理器与不同调制解调器的能力。 方案三：调制解调器连接到分离的多媒体加速器。这个方案是在第一种(分离的应用处理器和调制解调器)的基础上稍作改变。然而，它并不包括应用处理器，因此不能使用高级操作系统，而是用调制解调器实现基本的命令、控制及用户接口功能，用多媒体加速器使视频、音频和成像功能的实现更加容易。 对于一个希望进入产品功能丰富而价位较低的细分市场的OEM来说，这种方案可能是最好的。因为多媒体加速器通常要比应用处理器便宜，而且需要的内存资源较少，所以这种方案通常能使系统成本更低。此外，与复杂的高级操作系统相比，软件开发可能相对简单。 当然，它的缺点就是由于没有高级的操作系统，OEM只能提供有限的应用，因为这种方案无法利用大量应用程序开发者的成果，这种成果通常与主流高级操作系统相关联。同样，由于没有专用的ARM内核，未被多媒体加速器加速的应用(如游戏、电子邮件和个人信息管理(PIM))将达不到采用标准应用处理器所能达到的性能。 关键的设计考虑 显然，要在这三种集成方案中进行选择，首先就要清楚地了解OEM期望服务的细分市场，每个细分市场通常由手机的目标功能/应用和目标价格来定义。 如果目标应用是要求丰富特性的市场，其关键要求是离散多媒体性能(特别是对相机而言)，而且具有很强竞争力的价格，调制解调器与一个独立的多媒体加速器相连接可能是最佳方案。 然而，随着手机不断地从单一的电话功能向手持多媒体设备的方向发展，采用应用处理器和高级操作系统的设计将变得更加具有吸引力。那些将手机看成能上网冲浪、打电话、玩视频游戏、看电视、听音乐、看电影，或者同时进行其中几项的便携式娱乐系统的消费者，将需要只有通过应用处理器才能提供的多功能和高性能特性。 如果目标应用是智能手机市场，其关键要求是能支持不同的高级操作系统，同时能以中等价位提供良好的多媒体性能，那么把处理器和调制解调器集成在同一块芯片里可能是最佳方案。 如果目标应用是多媒体增强型智能电话市场，其关键要求是能支持不同的高级操作系统，同时具有出色的多媒体性能，这种产品的终端用户对价格不敏感，因此将应用处理器和调制解调器分开可能是最佳方案。 另一个需要重点考虑的是OEM仍在使用的系统组件的状况。如果具有丰富支持软件的调制解调器平台仍可以很稳定地工作，OEM可能愿意采用独立的应用处理器或者一个没有应用处理器的加速器，以避免用内置在集成器件中的调制解调器替换这个调制解调器平台。 尽管如此，在最终决定哪个方案最适合特定应用环境时，设计工程师必须评估每种方案的优点。最后的选择将会是一种折衷，即设计工程师为得到一个方案的好处而放弃另一个方案的优点。权衡这种折衷可能需要进行复杂的考虑，然而一般而言，每种方案都有自己的优点。应用处理器和调制解调器分离的好处 灵活性－毫无疑问，将应用处理器和调制解调器分开的最大好处是可提高灵活性。对现有的调制解调器抱有很大信心并已经投入巨资的OEM，可以重复使用这些调制解调器并将它们与最新应用处理器相结合。这样，在不牺牲应用性能的情况下，OEM能够利用以前的投资。这种灵活性也意味着可以选择不同的应用处理器和调制解调器供应商，更重要的是，它允许应用处理器运行相同的应用软件环境去与不同的调制解调器结合，以支持不同的空中接口标准，如GSM/GPRS、EDGE、WCDMA、UMTS和CDMA。于是，OEM只要开发一个平台，通过更换调制解调器，就可以服务于对调制解调器技术有不同需求的多个细分市场和多个运营商。应用处理器及其软件环境将保持不变。 性能－这种方法在性能上还具有明显的好处。最重要的是，芯片制造商倾向于在独立的应用处理器中使用最新的半导体工艺技术，可以比在集成器件中采用相同工艺尺寸早一年，甚至更长时间。其原因之一是，更小的工艺尺寸会对调制解调器的电源管理提出新的挑战，在使用独立应用处理器的情况下，电源管理问题比较容易解决。而在使用集成器件的情况下，要想电池使用寿命达到要求，可能要花上几个月时间来解决这些问题。因此，只要独立的应用处理器所使用的工艺技术保持领先于集成器件所用的工艺技术，它的性能就会比高集成度的器件更胜一筹。这种性能优势是非常重要的。 此外，使用分离的应用处理器还有独占资源的好处，例如可以独占内存和总线资源，这样可以提高产品的性能，特别是对于像多媒体和游戏这样需要较大带宽的应用。 集成应用处理器和调制解调器的好处 系统成本-这种方法的最大好处是可获得较低的系统成本。应用处理器和调制解调器利用单芯片集成以及一种有效管理和分配内存存取优先权的技术，共享内存资源。应用处理器和调制解调器还共用一个电源管理芯片，而在应用处理器和调制解调器分离的设计中，各个器件通常需要专用的电源管理芯片。 基于相同原因，在单芯片中集成应用处理器和调制解调器，还可减少在系统中用于连接不同功能的逻辑电路的数量。最后，采用集成的器件(包括完整的硬件和软件参考设计)、可直接用于生产的PCB原理图和布局布线图以及经过验证的集成电话软件，能够比从头开始开发并集成硬件和软件更具成本效益。 功耗-这种方案所需的器件较少(更少的内存、更少的电源管理器件以及更少的外部逻辑)，因为额外的器件需要额外的功率，所以采用这种方案能减少功耗；同样，应用处理器和调制解调器的位置更接近也可降低功耗；最后，集成应用处理器和调制解调器将允许单一的芯片提供商更有效地为整个系统进行软件优化。 外形尺寸-集成器件包含了原来需要两个独立器件提供的功能，所需电路板的空间比较小，这样设计工程师就能够设计出尺寸更小的无线产品。更重要的是，它还腾出了电路板空间以安装为无线设备提供附加功能的元件。这些附加无线电功能，例如蓝牙、无线局域网、GPS或者电视接收器，能在不增加设备整体尺寸的条件下很容易地集成在系统中。 开发复杂性-集成器件大大简化了手机的全部硬件和软件开发，因为它本身就提供完整的系统解决方案。 包括电源管理和RF在内的所有芯片组元件从一开始就被设计成能无缝协同工作，并且在一起进行了测试和调试。完整的硬件和软件参考设计将与芯片组一起交付使用。硬件参考设计提供可直接用于生产的PCB原理图和布局布线图，软件参考设计提供完整的高级操作系统基本端口，这个基本端口通过电话软件与协议堆栈进行了集成并通过验证 在很多情况下，参考设计还通过了真实手机在被批准商用之前必须完成的测试，包括(但不限于)全面型号认证(FTA)、互操作性测试(IOT)、运营商现场测试、稳定性测试以及一致性测试。这样，硬件和软件上的问题在早期阶段就可被发现并改正，否则OEM将不得不去做这些工作。 产品上市时间-因为集成器件通常在芯片组内集成了电源管理和RF，并与已经过预测试和预验证的硬件和软件参考设计一起交付，整个系统的开发时间可大大缩短。开发时间的减少有助于OEM早日将有新功能或者最新一代的无线设备投入市场。 调制解调器与独立多媒体加速器组合的好处 成本-正如前面所述，采用这种方案的系统成本远远小于采用应用处理器的系统成本。在芯片层面上，多媒体加速器通常比应用处理器便宜，因为它只是用来执行应用处理器的一部分功能。另外，它需要的内存较少，因而从系统的角度来考虑，其价格也便宜些。 多媒体性能-通过将调制解调器与多媒体环境分离，这种方案可以更容易地利用最先进的多媒体技术。新的强大的多媒体技术一旦被开发出来，就可以立即应用到多媒体加速器中，并与现有的调制解调器相结合。这种方案能比采用应用处理器的方案(与调制解调器分开或者集成)更快地将出色的多媒体功能推向市场。采用应用处理器的方案通常将多媒体功能集成在应用处理器中，因此当需要增加新的多媒体技术时，整个应用处理器需要重新设计。 灵活性-由于将应用处理器和调制解调器分开，这种方案可以灵活地将任何一种调制解调器与一个给定的多媒体加速器结合起来，因而能满足采用不同调制解调器技术的多个细分市场和运营商的需求，同时保持相同的多媒体环境不变。然而，就能支持的软件环境和应用来说，它显然还不够灵活。 本文小结 无线手持设备中的每一种集成方案都给设计工程师和OEM带来了很多好处，然而它们也有各自的缺点，只有对这些优缺点进行权衡，设计工程师才能针对特定设计和市场需求选择出可能最好的无线设备解决方案。 随着消费者的需求不断发展，终端用户不断要求在现有电池寿命条件下，在紧凑的手持设备中实现更丰富的功能，这些方案的相对优势和劣势可能会发生改变。例如，现在几乎可以肯定，基于调制解调器和多媒体加速器的设计(不使用应用处理器)，将无法满足消费者对手持多媒体娱乐中心不断提高的期望。 设计工程师在制定产品线路图时应仔细考虑需求的变化。但是，目前面临的挑战是对所有集成方案的优点进行权衡以解决是采用独立还是集成的应用处理器的问题。但是，这个问题并没有一个确切的答案。 作者：Alessandro Araldi 产品营销经理 德州仪器无线终端事业部(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/17/2005)