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三種不同的智慧手機方案:分離與整合的設計考慮

上網時間: 2005年06月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:智慧手機  應用處理器  多媒體加速器  modem  數據機 

智慧手機中採用何種整合程度的元件將對系統的成本、性能、外形尺寸以及開發周期等產生影響。本文詳細分析三種不同整合程度的方案,闡述了它們各自的優缺點和適用場合,為設計方案的選擇提供了實用的分析考量。

手機設計工程師目前所要面對的關鍵問題之一是:應用處理器數據機要整合到什麼程度,才能更好地為市場提供服務。為更有效地滿足OEM的需求,手機系統設計工程師是應該採用分離元件呢,還是採用系統單晶片?

對這個問題的回答非常重要,因為在這一層面上對設計方向的選擇將影響很多技術及競爭變數,這些變數決定了在市場上取得成功的關鍵因素-系統成本、硬體外形尺寸、上市時間、對不同無線標準的適應性、功耗以及整體性能。在設計過程的早期選擇最佳的方法有助於使OEM成為市場的領導者,而不是跟隨者。

儘管這個問題很重要,但它並沒有一個確切的答案。目前市場上每種整合程度的方案都具有其自身的優點和缺點,OEM必須對這些不同方案內在的折衷進行權衡,以選擇一個最能滿足他們設計和行銷目標的整合程度。

當前的三種可選方案

目前有三種不同整合程度的方案可供手機設計工程師選擇。它們分別是:

方案一:應用處理器和數據機分離。設計手機的傳統方法是採用獨立的應用處理器和數據機,每種元件也許包含若干個處理核心。例如,在應用處理器?面有一個RISC核心(如ARM9或ARM11)用於實現高中斷命令、控制以及用戶介面的功能,還有一個DSP(如TI的TMS320C55 DSP元件)用於進行高度重覆、數學運算量大的音頻和視頻處理。同樣,數據機可以透過ARM以很高的效率來處理協議堆疊第二層和第三層,而協議堆疊第一層則由DSP來處理。

無論元件採用什麼架構,它們都是完全獨立的,這使系統設計工程師能夠盡量提高系統的靈活性和性能。因為相同應用處理器可以用於不同的數據機技術和空中介面標準(GSM/GPRSEDGE、UMTS和CDMA),所以這種配置提供了最大的靈活性。此外,它還允許OEM選擇不同的應用處理器和數據機供應商。

這種方案能獲得最高系統性能是由於應用處理器可以使用專用資源(記憶體和匯流排),以及在沒有數據機帶來的功率約束下採用最新的製程技術。然而與此同時,這種方法使設計工程師面臨的工作複雜化,因為他們必須整合分離的硬體元件,並且要開發和整合使應用處理器和數據機能有效進行通訊的電話軟體層。因為應用處理器和數據機可能完全來自不同的生產商,所以由第三方完成或提供它們之間硬體和軟體的整合的機會很小。

通常與應用處理器一起提供的軟體開發平台可加快整合的過程,然而對硬體和軟體的設計、整合及除錯可能使整個系統的開發周期增加好幾個星期。

方案二:應用處理器和數據機整合在同一塊晶片?。積體電路設計技術的最新進展允許晶片製造商將應用處理器和數據機整合在一個元件?。通常情況下,這個整合的元件使用多個處理核心來完成相同的工作,而這些工作在分離元件的配置中是由兩個元件完成的。對於智慧電話應用,一個強大的ARM處理器可以與專用的硬體加速器配合起來管理應用功能,另一個ARM處理器和一個DSP則用來實現數據機功能。對於功能豐富而又要求低成本的應用,應用功能和數據機功能共用一個ARM核心,而DSP專門用於實現數據機功能。

為實現更高的系統整合,TI將OMAP元件與電源管理元件、RF元件整合在一個晶片組內。這些元件都經過了最佳化,可以在一起無縫協同工作。系統設計工程師在獲得晶片組的同時,還可得到一個完整的硬體和軟體參考設計,這些參考設計可以被修改,以提供豐富功能或者實現特定設計目標。

這種方案透過允許應用核心和數據機核心共用記憶體和電源管理晶片來降低系統成本。另外,連接應用處理器和數據機功能所需的邏輯也更少,這也可降低系統成本。

在單晶片中整合應用處理器和數據機還可簡化系統設計,並縮短產品上市時間。從硬體角度來看,透過提供原理圖和針對可製造性進行最佳化的佈局佈線文件,使手機的PCB設計變得容易。

從軟體角度來看,這種方案不需要開發和整合連接作業系統與協議堆疊的電話軟體層。因為應用處理器和數據機為固定配對,所以半導體製造商能夠開發並驗證電話軟體以實現核心之間的有效通訊。而且,半導體製造商還經常對其參考設計進行實際電話必須通過的相同測試(如全面型號認證、互作業性測試、電信業者現場測試等)。提前完成這些工作可以加快產品上市,然而,這種整合度限制了設計工程師搭配和匹配應用處理器與不同數據機的能力。

方案三:數據機連接到分離的多媒體加速器。這個方案是在第一種(分離的應用處理器和數據機)的基礎上稍作改變。然而,它並不包括應用處理器,因此不能使用高級作業系統,而是用數據機實現基本的命令、控制及用戶介面功能,用多媒體加速器使視頻、音頻和影像功能的實現更加容易。

對於一個希望進入產品功能豐富而價位較低的細分市場的OEM來說,這種方案可能是最好的。因為多媒體加速器通常要比應用處理器便宜,而且需要的記憶體資源較少,所以這種方案通常能使系統成本更低。此外,與複雜的高級作業系統相比,軟體開發可能相對簡單。

當然,它的缺點就是由於沒有高級的作業系統,OEM只能提供有限的應用,因為這種方案無法利用大量應用程式開發者的成果,這種成果通常與主流高級作業系統相關聯。同樣,由於沒有專用的ARM核心,未被多媒體加速器加速的應用(如遊戲、電子郵件和個人資訊管理(PIM))將達不到採用標準應用處理器所能達到的性能。

關鍵的設計考慮

顯然,要在這三種整合方案中進行選擇,首先就要清楚地了解OEM期望服務的細分市場,每個細分市場通常由手機的目標功能/應用和目標價格來定義。

如果目標應用是要求豐富特性的市場,其關鍵要求是多樣的多媒體性能(特別是對相機而言),而且具有很強競爭力的價格,數據機與一個獨立的多媒體加速器相連接可能是最佳方案。

然而,隨著手機不斷地從單一的電話功能向手持多媒體設備的方向發展,採用應用處理器和高級作業系統的設計將變得更加具有吸引力。那些將手機看成能上網、打電話、玩視頻遊戲、看電視、聽音樂、看電影,或者同時進行其中幾項的可攜式娛樂系統的消費者,將需要只有透過應用處理器才能提供的多功能和高性能特性。

如果目標應用是智慧手機市場,其關鍵要求是能支援不同的高級作業系統,同時能以中等價位提供良好的多媒體性能,那麼把處理器和數據機整合在同一塊晶片?可能是最佳方案。

如果目標應用是多媒體增強型智慧電話市場,其關鍵要求是能支援不同的高級作業系統,同時具有出色的多媒體性能,這種產品的終端用戶對價格不敏感,因此將應用處理器和數據機分開可能是最佳方案。

另一個需要重點考慮的是OEM仍在使用的系統組件的狀況。如果具有豐富支援軟體的數據機平台仍可以很穩定地工作,OEM可能願意採用獨立的應用處理器或者一個沒有應用處理器的加速器,以避免用內建在整合元件中的數據機替換這個數據機平台。

儘管如此,在最終決定哪個方案最適合特定應用環境時,設計工程師必須評估每種方案的優點。最後的選擇將會是一種折衷,即設計工程師為得到一個方案的好處而放棄另一個方案的優點。權衡這種折衷可能需要進行複雜的考慮,然而一般而言,每種方案都有自己的優點。

應用處理器和數據機分離的好處

靈活性-毫無疑問,將應用處理器和數據機分開的最大好處是可提高靈活性。對現有的數據機抱有很大信心並已經投入巨資的OEM,可以重覆使用這些數據機並將它們與最新應用處理器相結合。這樣,在不犧牲應用性能的情況下,OEM能夠利用以前的投資。這種靈活性也意味著可以選擇不同的應用處理器和數據機供應商,更重要的是,它允許應用處理器執行相同的應用軟體環境去與不同的數據機結合,以支援不同的空中介面標準,如GSM/GPRS、EDGE、WCDMA、UMTS和CDMA。於是,OEM只要開發一個平台,透過更換數據機,就可以服務於對數據機技術有不同需求的多個細分市場和多個電信業者。應用處理器及其軟體環境將保持不變。

性能-這種方法在性能上還具有明顯的好處。最重要的是,晶片製造商傾向於在獨立的應用處理器中使用最新的半導體製程技術,可以比在整合元件中採用相同製程尺寸早一年,甚至更長時間。其原因之一是,更小的製程尺寸會對數據機的電源管理提出新的挑戰,在使用獨立應用處理器的情況下,電源管理問題比較容易解決。而在使用整合元件的情況下,要想電池使用壽命達到要求,可能要花上幾個月時間來解決這些問題。因此,只要獨立的應用處理器所使用的製程技術保持領先於整合元件所用的製程技術,它的性能就會比高整合度的元件更勝一籌。這種性能優勢是非常重要的。

此外,使用分離的應用處理器還有獨佔資源的好處,例如可以獨佔記憶體和匯流排資源,這樣可以提高產品的性能,特別是對於像多媒體和遊戲這樣需要較大頻寬的應用。

整合應用處理器和數據機的好處

系統成本-這種方法的最大好處是可獲得較低的系統成本。應用處理器和數據機利用單晶片整合以及一種有效管理和分配記憶體存取優先權的技術,共享記憶體資源。應用處理器和數據機還共用一個電源管理晶片,而在應用處理器和數據機分離的設計中,各個元件通常需要專用的電源管理晶片。

基於相同原因,在單晶片中整合應用處理器和數據機,還可減少在系統中用於連接不同功能的邏輯電路的數量。最後,採用整合的元件(包括完整的硬體和軟體參考設計)、可直接用於生產的PCB原理圖和佈局佈線圖以及經過驗證的整合電話軟體,能夠比從頭開始開發並整合硬體和軟體更具成本效益。

功耗-這種方案所需的元件較少(更少的記憶體、更少的電源管理元件以及更少的外部邏輯),因為額外的元件需要額外的功率,所以採用這種方案能減少功耗;同樣,應用處理器和數據機的位置更接近也可降低功耗;最後,整合應用處理器和數據機將允許單一的晶片提供商更有效地為整個系統進行軟體最佳化。

外形尺寸-整合元件包含了原來需要兩個獨立元件提供的功能,所需電路板的空間比較小,這樣設計工程師就能夠設計出尺寸更小的無線產品。更重要的是,它還騰出了電路板空間以黏著為無線設備提供附加功能的元件。這些附加無線電功能,例如藍芽、無線區域網、GPS或者電視接收器,能在不增加設備整體尺寸的條件下很容易地整合在系統中。

開發複雜性-整合元件大大簡化了手機的全部硬體和軟體開發,因為它本身就提供完整的系統解決方案。

包括電源管理和RF在內的所有晶片組元件從一開始就被設計成能無縫協同工作,並且在一起進行了測試和除錯。完整的硬體和軟體參考設計將與晶片組一起提供使用。硬體參考設計提供可直接用於生產的PCB原理圖和佈局佈線圖,軟體參考設計提供完整的高級作業系統基本埠,這個基本埠透過電話軟體與協議堆疊進行了整合並通過驗證

在很多情況下,參考設計還通過了真實手機在被批准商用之前必須完成的測試,包括(但不限於)全面型號認證(FTA)、互作業性測試(IOT)、電信業者現場測試、穩定性測試以及一致性測試。這樣,硬體和軟體上的問題在早期階段就可被發現並改正,否則OEM將不得不去做這些工作。

產品上市時間-因為整合元件通常在晶片組內整合了電源管理和RF,並與已經過預測試和預驗證的硬體和軟體參考設計一起提供,整個系統的開發時間可大大縮短。開發時間的減少有助於OEM早日將有新功能或者最新一代的無線設備投入市場。

數據機與獨立多媒體加速器組合的好處

成本-正如前面所述,採用這種方案的系統成本遠遠小於採用應用處理器的系統成本。在晶片層面上,多媒體加速器通常比應用處理器便宜,因為它只是用來執行應用處理器的一部份功能。另外,它需要的記憶體較少,因而從系統的角度來考慮,其價格也便宜些。

多媒體性能-透過將數據機與多媒體環境分離,這種方案可以更容易地利用最先進的多媒體技術。新的強大的多媒體技術一旦被開發出來,就可以立即應用到多媒體加速器中,並與現有的數據機相結合。這種方案能比採用應用處理器的方案(與數據機分開或者整合)更快地將出色的多媒體功能推向市場。採用應用處理器的方案通常將多媒體功能整合在應用處理器中,因此當需要增加新的多媒體技術時,整個應用處理器需要重新設計。

靈活性-由於將應用處理器和數據機分開,這種方案可以靈活地將任何一種數據機與一個給定的多媒體加速器結合起來,因而能滿足採用不同數據機技術的多個細分市場和電信業者的需求,同時保持相同的多媒體環境不變。然而,就能支援的軟體環境和應用來說,它還顯然還不夠靈活。

本文小結

無線手持設備中的每一種整合方案都給設計工程師和OEM帶來了很多好處,然而它們也有各自的缺點,只有對這些優缺點進行權衡,設計工程師才能針對特定設計和市場需求選擇出可能最好的無線設備解決方案。

隨著消費者的需求不斷發展,終端用戶不斷要求在現有電池壽命條件下,在緊湊的手持設備中實現更豐富的功能,這些方案的相對優勢和劣勢可能會產生改變。例如,現在幾乎可以肯定,基於數據機和多媒體加速器的設計(不使用應用處理器),將無法滿足消費者對手持多媒體娛樂中心不斷提高的期望。

設計工程師在制訂產品藍圖時應仔細考慮需求的變化。但是,目前面臨的挑戰是對所有整合方案的優點進行權衡以解決是採用獨立還是整合的應用處理器的問題。但是,這個問題並沒有一個確切的答案。

作者:Alessandro Araldi


產品行銷經理


德州儀器無線終端事業部





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