智能型手机之软/硬件系统开发策略

在手持设备的市场，若以3C属性来区分的话，代表性的产品有通信专用的语音手机（Voice phone）、强调资讯处理的PDA，以及最近兴起的PMP（可携式媒体播放器）。这种鲜明的区隔定位拥有一定的客户市场，不过，其中的界限却已愈来愈模煳，尤其是在最大宗的手机市场上，随着3G高速频宽及IP网路化的实现，加上多媒体功能的不断强化，在在都将智能型手机（Smartphone）推上主流市场产品的地位。 目前市场上手机推陈出新的速度惊人，这些繁浩的架上手机，大致又可以区分为三大类，即只有基本语音及短信功能的语音手机（Voice Phone）；已具有收送数据资料的能力，但编辑处理的功能有限，而且同时间也只能处理一项工作的功能手机（Feature Phone）；以及犹如一台迷你型电脑的智能型手机，它除了具有较强的资料编辑管理能力，更能提供音、视频、游戏的多媒体应用服务，也能同时处理多项工作。 在一台智能型手机上，3C的功能已一应俱全，包括语音、短信（messaging）、认证（Authentication）、计费（Billing）等通信功能；Email、行事历、资讯管理、Sync、安全性等资讯处理功能；视频、照相、游戏、TV、串流、音乐、DRM等多媒体应用功能。 在与语音手机、功能手机差异不大的手持尺寸中，却要求达到如此多样化的功能，而且还不允许缩短电池的使用寿命，智能型手机的设计难度就可想而知。它必须採用高效能、低耗电和易开发的软、硬件系统架构，以及高整合度的元件；除了要搭配更大容量的记忆体外，手机平台也得支援多样的介面标准，例如照相、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等。这些都是智能型手机在开发上必须面对的挑战。

系统架构开发原则 虽然智能型手机的功能性繁复，但基于上市时程的压力，手机业者必须透过规划良好的系统架构来降低设计上的复杂度。为了达成这项要求，业界已出现不少的晶片架构及系统作法，但仍有一些设计上的共识，包括专业分工、开放性、标准化、阶层化和提高可再利用性及定制弹性等等原则。以下介绍几项开发原则： 1. 专业分工 在专业分工上，最明显的作法即是採取通信与应用分离的平行架构，由基频处理器专心处理通信数据，其他的多媒体等应用功能则交给应用处理器来处理。这是一种「独立于数据机」（modem-agnostic）的处理架构，一方面让应用处理器能充分发挥Symbian、Windows Mobile或Linux等高阶作业系统的应用能力，另一方面也能确保各种服务与应用不会受到无线技术的影响，进而赋与产品更高的可携性。 在此架构下，基频元件能随GSM/GPRS/WCDMA/HSDPA等规格的演进而发展，应用元件也能因应视频、音频、绘图等需求的改变而扩充其功能，例如支援高达每秒30讯框的VGA解码和H.264/VC-1视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M画素的数字照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声喇叭等。 2. 再利用性 就再利用性来说，将通过验证合格、可用于生产的通信处理即时程式码独立出来，就不会受到应用功能的限制，而能重覆且直接的再次被使用。这样做的好处很明显，软件开发一向是影响手机上市时程一大主因，往往为了小部分程式码的更动，就得对整个系统进行重新验证和测试的工作，相当耗时。在独立出成熟的程式码后，可以将设计、验证及测试上的复杂度降低，大幅缩短开发的时程。 3. 阶层化沟通介面 但如何做好通信与应用两者之间的沟通，仍是设计上的一大挑战。在上一文中有提出开放性架构中基于硬件抽象（hardware abstraction）的介面作法，此架构同时提供上层和下层的观点，上层的观点提供应用程式撰写者一套针对特定作业系统的统一软件介面，并对底层的处理器设计加以抽象化；底层观点是针对LCD控制器、影像感测器或照相机等一般性应用週边的一组标准硬件介面。 此架构因採用标准化的介面，因此与系统中个别单元的技术或架构作法无关，只需透过一组一致性的API来进行上层作业系统与下层硬件的沟通。如此一来，应用软件从底层的平台架构给分离出来，开发者只需从上层架构的观点对应用程式做抽象层级的开发，而不用对底层的实体平台做直接的唿叫，这让产品能更快速的开发，在平台更新时也不需犠牲效能或程式码的可互操作性（interoperability），应用功能只需要写一次就够了。不仅如此，由于此一架构的平台具有通透性，制造商也很容对硬件和软件做各种功能升级。请参考(图一)。 　 图一　智能型手机阶层式介面架构 资料来源：ST

硬件平台架构 在智能型手机的硬件架构中，应用处理器已是其灵魂的中心。目前市场上接受度最高的应用处理器核心，无疑当属ARM核心，它可以说是产业标准的手持设备处理器核心。以Nomadik平台所採用ARM926EJ-S核心来说，它是一个强大的32位元RISC核心，在一般情况下，它能在ST的0.13微米CMOS制程产品上达到350MHz的速度。这个核心包括一个记忆体管理单位（MMU）、32Kbytes指令快取（instruction cache）、16Kbytes资料快取、一个能执行单一循环MAC的16 x 32 bit乘法器（multiplier），以及具有强大的即时除错支援能力。 ARM926EJ-S包含ARM专门针对Java加速而推出的Jazelle技术，这项ARM的延伸功能可以执行139个在硬件中，以及88个以上在软件中最常用的Java位元组程式码。在运作时，大约95%的Java位元组程式码可由硬件加速器来执行，其他5%较少使用的Java位元组程式码则由专门为了与Jazelle硬件工作而撰写的最佳化Java虚拟机器（JVM）来执行。 ARM926的主要功能特色包括：32/16-bit RISC架构，并採用业界标准的AMBA bus AHB介面；16-bit Thumb指令集，用于增加的程式码空间；DSP指令延伸和单一循环 MAC；Java程式码位元组的高执行效率，即0.075 mW/CaffeineMarks、6 CM/MHz（相当于2100CM @ 350 MHz）。 除了採用ARM主处理器外，如上篇文章所述，在Nomadik的硬件平台中还搭配採用智能加速器来分担应付所有在音频和视频上的前、后处理任务，让这颗主处理器能长期处于省电模式下，并更专注于适合它来发挥的控制工作。随着智能型手机应用需求的增加，未来可能有更多的专属加速器将出现在硬件平台中，以满足3D绘图、资料加密和生物辨识等服务或应用功能。 此外，由于移动设备内部的资料传输日趋复杂而频繁，移动平台中的各个硬件单元也得採用理想的互连技术来沟通。以Nomadik来说，它採用了多层式AMBA crossbar互连技术，这能让在CPU、多媒体加速器、系统记忆体和週边之间的资料频宽能达到最大；其週边支援Symbian、Linux和Windows CE.NET等高阶作业系统，也支援行动多媒体应用所需要的外部介面，如LCD、MMC和安全性数字介面卡和外部的音频编解码器（codecs）。 　 图二　移动平台系统架构（以Nomadik为例） 资料来源：ST

高阶作业系统 手机软件系统涵盖了作业系统、通信协定、多媒体处理、API、Driver、UI等等开发议题，这些议题在手机开发上的重要性不断提升，对于智能型手机来说，更是如此。就核心的作业系统来说，在语音手机或功能手机中，仍可见到专属性的即时作业系统（RTOS），但在智能型手机中则必须採用高阶作业系统（High-level Operation System, HLOS），才能加速系统功能的开发，并满足多样化的应用需求。 高阶作业系统对记忆体容量的需求虽大，但它所能提供的开发优势也很多。它採用标准的API、好用的UI使用介面及完善的开发工具，让开发者能更有效的开发应用程式，大幅缩短开发时间与测试成本；对制造及营运商来说，也更容易将同样的应用移植到不同的平台之上。 此外，高阶作业系统能支援广泛的介面标准，基本的如Unicode、POSIX API和Java等；在连结上的标准包括TCP/IP、POP3、IMAP4、SMTP、SMS、OBEX等，其他新兴的标准则包括J2ME、Bluetooth、MMS、SyncML、IPv6、DVB-H和WCDMA等。 目前市场上的主要手机高阶作业系统为Symbian、Windows Mobile和Linux，其市场趋势请参考(图三)。其中Symbian有Nokia等大厂的支撑，是目前这市场中最大宗的OS；微软的Windows Mobile for Smartphone则在以IT转型手机的厂商用得较多，它强调与桌上型Windows及伺服器Windows的连贯性，让使用者以熟悉的语法进行开发设计，这也是国内从事智能型手机的厂商，在高阶作业系统的选择上偏好Windows Mobile的原因；Linux则是新兴的作业系统，以开放原始码而着称，目前在手机市场的商用版本中，以MontaVista的着力最深。 　 图三　手机高阶作业系统市场趋势 资料来源：Gartner Dataquest (September 2005) 　 这些厂商或团体为了提升自己的市场接受度及影响力，往往强调开放性的原则。他们尽量採用业界标准、公开内部技术和形成产业联盟，这也让各个高阶作业系统凝聚了自己的大量开发社群用户，为手机的设计提供了丰富的程式内容。在这种开放性的环境下，今日的手机开发者或系统营运者有更大的空间去经营自己的差异化产品或服务，也让这个市场保有不断改进的市场活力。

结论 从Window Mobile最新5.0版本中的新增API，可以看出智能型手机的应用趋势，包括对多媒体的丰富支援、强化2D/3D的绘图能力、提升对照相及GPS等硬件元件的支援能力、提供通用DRM（digital right management）程式模式，以及改善通信处理功能等等。此外，根据IDC的报告，WCDMA手机在2004年Q3时只佔全部市场的7%，但到了2005年Q3时已成长到12%。随着3G市场的起飞，智能型手机可望从高阶的小众市场，逐渐转向大众化的领域，因为唯有採用智能型手机才能充分发挥3G服务的多样化功能。 智能型手机迈向市场主流地位已是指日可待，然而，在开发设计上仍有不少的挑战待突破，包括在有限尺寸中达到最大的效能与功能，同时在低功耗架构下保有电池的长时寿命。在目前的开发流程中，应用处理平台供应商所扮演的角色愈来愈重要，而为了提供更完善的开发平台，业者必须进行全方位的产业联盟，才能提出包含通信及多媒体处理环境的完整参考设计、开发与测试工具、说明文件等等，并由专精于个别作业系统的协力软件厂商（third party）来协助应用功能上的开发与系统整合，让设备厂商能更快推出产品。 （作者为意法半导体亚太区通信及移动多媒体事业部资深技术行销工程师，联络方式：vincent.chiang@st.com）