高阶手机多媒体应用及开放性技术趋势

一台小小的随身手机，功能性却是日新月异。过去，它只是一只单纯通信功能的装置，但和网路及消费性应用相遇后，其定位已逐渐朝向一台个人化的多媒体设备发展。现阶段，资讯管理与照相已经成为颇通用的功能，游戏、铃声、音乐下载与播放的效果也不断在提升中；录影、录音也成了手机当中极具加值性的功能。 在不同的地区，也有不同的发展：在欧洲，手机被用进行线上付款；在日本，移动娱乐相当普及；而在美国，使用手机GPS定位服务已受到重视，此功能不仅能做交通资讯的辅助之用，也能在紧急时送出个人的求救及追踪信号。那么，下一步呢？ 随着3G、HSDPA或Wi-Fi等更高频宽连结的推出，新闻、运动、广告等视频短片会成为愈来愈重要的服务；在DVB-H、T-DMB、MediaFLO等移动电视技术的推波助澜下，手机上看电视的很快会变成现实；未来，手机也能成为家庭、孩童、老人的安全监看工具。(图一)为下一代高阶手机的功能发展趋势，(图二)则是市场对于各种功能需求的评估调查。 　 图一 　 图二

高阶手机技术发展议题 要将一台手持大小的手机变成多功能的迷你型电脑，其内部系统设计的挑战难度可想而知。在处理功能上，除了得选择採用单CPU或双CPU架构，也得确定在信号处理上是採用DSP或软、硬件加速器的作法；为了因应多媒体的影音处理需求，一方面得考虑对广泛影音编码格式的支援，一方面也得规划出最佳化的运作架构。 无线收发的通信部分，也有其设计上的发展议题。在3GPP蜂巢式系统本身，就有多套新旧标准同时存在，包括GSM / GPRS / EDGE /  WCDMA等等，而其他的无线技术也往手机系统中进行整合，例如Wi-Fi、Bluetooth、GPS、DVB-H等。此外，介面支援也是一个问题，今日的移动平台必须具备复杂的介面，如照相、彩色显示、TV输出、IrDA、Bluetooth、USB、音频和多种型式的记忆卡，以及传统式键盘和复杂的无线数据机，而且，新的需求还不断产生，请参考(图三)。当然，尺寸与耗电性永远是手机设计的基本限制，必须透过制程、封装及系统规划的不断进步来支持应用性的无止境增加。 一般来说，一台高阶手机为了达成多媒体应用的需要，其关键IP和元件可能包括：CMOS影像感测器；音频/视频/图像功能；Flash和EEPROM记忆体；嵌入式DRAM记忆体；智能卡和加密功能；蓝芽功能；MEMS感应器和加速器；电源管理；生物验证（biometric verification）；语音辨识；手机数据机（RF+基频）；整合性的被动元件；保护装置；GPS晶片组等等。 　 图三　各种多媒体应用介面的交换中心（以Nomadik为例） 　 从上述功能的发展中，很显然地，今日的手机正朝向多媒体（multimedia）、多系统（multi-system）和多模（multi-mode）的「三多」的方向发展。就系统开发来说，多系统与多模的挑战主要在于射频（RF）与基频（baseband, BB），尤其是射频的部分，而多媒体的议题则在于如何针对基频、应用处理器、加速器和高阶作业系统（HLOS）等区块提出最恰当的整合处理架构。

开放性平台发展趋势 对于手机市场来说，虽然功能上不断推陈出新，但并不表示手机业者就要照单全收。开发者往往会有其偏好的技术及功能选择，以推出差异化的产品，这时，他们已不愿再向过去的手机业者一般，受限于特定、封闭、专属性（proprietary）的软、硬件规格。 开放性的平台架构已是市场的大势所趋。不论是CPU、作业系统或週边，今日的高阶手机平台应该都要能提供弹性、易建置的开放性环境。以设备心脏的CPU来说，一个移动平台要能支援提供授权以及广泛被移动设备使用的第三方（3rd-party）处理器，如ARM核心。作业系统方面，在中、低阶的语音手机（Voice phone）或功能手机（feature phone）之中，虽仍有採用封闭性软件的情况，但对于高阶的智能型手机来说，搭配高阶作业系统（High level OS, HLOS）是必然的选择，这样才能满足复杂多工的运算控制需求，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等，移动平台也得广泛支援。 在週边介面上，又可包括内部的匯流排（bus）和外部插槽，也就是内部各晶片单元的沟通，以及对外通信或应用功能延伸的各种介面。介面的选择也是手机差异化的一项关键，虽然晶片组厂商会尽量去支援各种可能的传输介面，但埠脚毕竟有限，仍然得有所选择；此外，有些介面本身即存在排他性，难以同时并存；或是建置成本过高，也会让厂商却步不前。举例来说，今日手机已朝立体声的音频功能发展，但在介面技术上存在CD用的I2S介面，或PC中音乐用的AC’97介面两种介面，两者各有优缺点，但又必须有所抉择。在其他的功能上也常可见到此一情况。

推动标准化API 为了降低应用层与底层技术之间的整合门槛，API（application-programming interface）是重要的决定因素。不过，如果手机各元件厂商的API各採自行的专属系统，上述的开放性环境就难以形成。而为了让产业间的整合更顺畅，API必须依循开放性的原则来开发才行。 因此，标准化的API是业界共同的需要，这得靠标准化的组织团体来进行制定与推动。目前业界相当重要的行动产业标准组织，包括3G、MIPI（Mobile Industry Processor Interface）、TCG（Trusted Computing Group）、OMA（Open Mobile Alliance）、OMTP（Open Mobile Terminal Platform）、OpenMAX、Global Platform等。 以MIPI来说，其目标就在于推动应用处理器介面的一致性、倡导移动设备间的再利用性和相容性，进而简化硬件和软件的设计和建置。其介面标准化的工作将会让移动设备制造商提升开发的效率，为他们带来在LCD、camera和通信IC等週边设备的最大的应用软件可携性和更广的可用性。这个非营利的组织是在2003年由ST、ARM、Nokia和TI共同创立的，会员中包括手机制造商、半导体公司、硬件週边制造商、作业系统厂商、中介软件厂商和软件应用程式开发商。 ■高阶语言的开发环境 在PC的世界中，採用高阶语言已是很平常的事情，但在嵌入式的环境中，由于客制性高，採用高阶语言有其发展上的难度。不过，手机兼具嵌入式与大众市场的特性，因此极需打造出一个便利的系统建置环境，将底层的实体层技术加以抽象化（abstraction）可以达到此目标。 在上下层分离的沟通架构下，应用软件能够独立于硬件来做设计，即使是面对不同的平台，只要透过标准化的API就能与底层进行沟通。如此一来，不但产品的开发时程可以大幅缩短，不论软件或硬件，都具备了再利用（reuse）的可用性，也就是可以再用在未来的产品设计上，只要对新的功能做必要的升级设计即可，这对于设计者来说当然是一大利多。 不过，底层的规划仍有其重要性。毕竟，实际的运算作业还是发生在底层，若能针对特定需要对底层做最佳化的调校，那即时是採用相同的行动开发平台，也可能产生功能性与效能表现上的差异。这时，系统设计者就得懂得透过基础的组合语言编译程式（assembler）的编码，对程式码进行最佳化设计，以达成更佳的效能等级。

案例探讨 以前市场上的移动多媒体应用平台来看，大多符合上述的开放性趋势，不过，在架构性的作法上就各有其特色。以ST的Nomadik为例，其最大的特色在于採用分散式处理架构，也就是将多媒体的运算处理分散到多个可程式化的智能型加速器（smart accelerator），他们各自独立地工作，但同时一起处理特定的视频和音频编码与解码功能。在350MHz的ARM926EJ RISC主处理器核心下，搭配视频智能加速器（Video smart accelerator）的Nomadik可提供30fps的VGA即时编解码效能，也能在进行视频会议时提供达30fps的CIF画质；其音频智能加速器（Audio smart accelerator）则是可採C语言程式化的多媒体VLIW DSP，并支援丰富的音频library。请参考(图四)。 　 图四　移动平台架构（以Nomadik为例） 　 除了让影音表现能达到最佳化外，分散式处理让这些耗时又耗电的工作不会佔用到CPU的资源，让CPU能专注于控制与程式流程的处理，或让它能进入省电模式来延长电池的使用寿命。Nomadik藉由尽可能避开对高时脉速度的需求来节省能源，但也从各个等级的系统化设计用心得到降低耗电需求的好处。创新的演算法、具能源效率的指令集和在ARM式处理器中的Java加速器，都为编码提供了很高的执行效率；资料压缩和图像缩放能有效地使用晶片上的频宽；此外，积极的电源管理会关掉晶片上非活动的区域，让CPU尽可能的保持在省电模式之下。

结论 未来的手机将不只是一台手机，以Nokia将上市的N92来说，它不仅是手机，也是相机、收音机，而且还可以是一台电视机。在通频的部份，N92是支双频手机，既支援GSM 900/1800/1900，也支援WCDMA的3G网路，不仅如此，Wi-Fi区域网路也可以通，更支援双向的视频电话；照相方面，支援200万画素，相机功能包括内建闪光灯、数位变焦，以及景物、肖像、夜间和运动等设定模式，与白平衡等功能；最炫的是，它同时也支援 DVB-H 数字广播电视，能透过 2.8 吋的 QVGA TFT LCD 来收看即时视频节目；另外，在音频部分，除了支援 MP3、AAC，也能收听FM节目。 未来，将有更多这样的手机出现，而系统及晶片业者仍得朝高整合性的高阶手机戮力以赴。不论是通信上对天线、射频、基频的多频、多模整合规划，或是在应用上要满足更高的处理效能、更庞大的记忆体、更清晰的显示品质，但又不能缩短电池的寿命。高阶手机的挑战仍多，未来我们将分别对一些重要的议题进行剖析探讨。（作者为意法半导体亚太区通信及移动多媒体事业部技术行销工程师）