在智能手機(jī)中采用何種集成程度的器件將對(duì)系統(tǒng)的成本、性能、外形尺寸以及開(kāi)發(fā)周期等產(chǎn)生影響。本文詳細(xì)分析三種不同集成程度的方案,闡述了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合,為設(shè)計(jì)方案的選擇提供了實(shí)用的分析思路。
手機(jī)設(shè)計(jì)工程師目前所要面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是:應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器要集成到什么程度,才能更好地為市場(chǎng)營(yíng)銷目標(biāo)服務(wù)。為更有效地滿足OEM的需求,手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師是應(yīng)該采用分離元件呢,還是采用系統(tǒng)級(jí)芯片?
對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答非常重要,因?yàn)樵谶@一層面上對(duì)設(shè)計(jì)方向的選擇將影響很多技術(shù)及競(jìng)爭(zhēng)變數(shù),這些變數(shù)決定了在市場(chǎng)上取得成功的關(guān)鍵因素-系統(tǒng)成本、硬件外形尺寸、上市時(shí)間、對(duì)不同無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性、功耗以及整體性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期選擇最佳的方法有助于使OEM成為市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,而不是跟隨者。
盡管這個(gè)問(wèn)題很重要,但它并沒(méi)有一個(gè)確切的答案。目前市場(chǎng)上每種集成程度的方案都具有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),OEM必須對(duì)這些不同方案內(nèi)在的折衷進(jìn)行權(quán)衡,以選擇一個(gè)最能滿足他們?cè)O(shè)計(jì)和營(yíng)銷目標(biāo)的集成程度。
當(dāng)前的三種可選方案
目前有三種不同集成程度的方案可供手機(jī)設(shè)計(jì)工程師選擇。它們分別是:
方案一:應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分離。設(shè)計(jì)手機(jī)的傳統(tǒng)方法是采用獨(dú)立的應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器,每種器件也許包含若干個(gè)處理內(nèi)核。例如,在應(yīng)用處理器里面有一個(gè)RISC內(nèi)核(如ARM9或ARM11)用于實(shí)現(xiàn)高中斷命令、控制以及用戶接口的功能,還有一個(gè)DSP(如TI的TMS320C55 DSP器件)用于進(jìn)行高度重復(fù)、數(shù)??算量大的音頻和視頻處理。同樣,調(diào)制解調(diào)器可以通過(guò)ARM以很高的效率來(lái)處理協(xié)議棧第二層和第三層,而協(xié)議棧第一層則由DSP來(lái)處理。
無(wú)論器件采用什么架構(gòu),它們都是完全獨(dú)立的,這使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠盡量提高系統(tǒng)的靈活性和性能。因?yàn)橄嗤瑧?yīng)用處理器可以用于不同的調(diào)制解調(diào)器技術(shù)和空中接口標(biāo)準(zhǔn)(GSM/GPRS、EDGE、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(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商。
這種方案能獲得最高系統(tǒng)性能是由于應(yīng)用處理器可以使用專用資源(存儲(chǔ)器和總線),以及在沒(méi)有調(diào)制解調(diào)器帶來(lái)的功率約束下采用最新的工藝技術(shù)。然而與此同時(shí),這種方法使設(shè)計(jì)工程師面臨的工作復(fù)雜化,因?yàn)樗麄儽仨毤煞蛛x的硬件元件,并且要開(kāi)發(fā)和整合使應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器能有效進(jìn)行通信的電話軟件層。因?yàn)閼?yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器可能完全來(lái)自不同的生產(chǎn)商,所以由第三方完成或提供它們之間硬件和軟件的整合的機(jī)會(huì)很小。
通常與應(yīng)用處理器一起提供的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可加快整合的過(guò)程,然而對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)、整合及調(diào)試可能使整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期增加好幾個(gè)星期。
方案二:應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器集成在同一塊芯片里。集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的最新進(jìn)展允許芯片制造商將應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器集成在一個(gè)器件里。通常情況下,這個(gè)集成的器件使用多個(gè)處理內(nèi)核來(lái)完成相同的工作,而這些工作在分離器件的配置中是由兩個(gè)器件完成的。對(duì)于智能電話應(yīng)用,一個(gè)強(qiáng)大的ARM處理器可以與專用的硬件加速器配合起來(lái)管理應(yīng)用功能,另一個(gè)ARM處理器和一個(gè)DSP則用來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器功能。對(duì)于功能豐富而又要求低成本的應(yīng)用,應(yīng)用功能和調(diào)制解調(diào)器功能共用一個(gè)ARM內(nèi)核,而DSP專門用于實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器功能。
為實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成,TI將OMAP器件與電源管理器件、 RF器件捆綁在一個(gè)芯片組內(nèi)。這些器件都經(jīng)過(guò)了優(yōu)化,可以在一起無(wú)縫協(xié)同工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在獲得芯片組的同時(shí),還可得到一個(gè)完整的硬件和軟件參考設(shè)計(jì),這些參考設(shè)計(jì)可以被修改,以提供豐富功能或者實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)目標(biāo)。
這種方案通過(guò)允許應(yīng)用內(nèi)核和調(diào)制解調(diào)器內(nèi)核共用內(nèi)存和電源管理芯片來(lái)降低系統(tǒng)成本。另外,連接應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器功能所需的邏輯也更少,這也可降低系統(tǒng)成本。
在單芯片中集成應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器還可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。從硬件角度來(lái)看,通過(guò)提供原理圖和針對(duì)可制造性進(jìn)行優(yōu)化的布局布線文件,使手機(jī)的PCB設(shè)計(jì)變得容易。
從軟件角度來(lái)看,這種方案不需要開(kāi)發(fā)和整合連接操作系統(tǒng)與協(xié)議堆棧的電話軟件層。因?yàn)閼?yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器為固定配對(duì),所以半導(dǎo)體制造商能夠開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證電話軟件以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核之間的有效通信。而且,半導(dǎo)體制造商還經(jīng)常對(duì)其參考設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際電話必須通過(guò)的相同測(cè)試(如全面型號(hào)認(rèn)證、互操作性測(cè)試、運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等)。提前完成這些工作可以加快產(chǎn)品上市,然而,這種集成度限制了設(shè)計(jì)工程師搭配和匹配應(yīng)用處理器與不同調(diào)制解調(diào)器的能力。
方案三:調(diào)制解調(diào)器連接到分離的多媒體加速器。這個(gè)方案是在第一種(分離的應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器)的基礎(chǔ)上稍作改變。然而,它并不包括應(yīng)用處理器,因此不能使用高級(jí)操作系統(tǒng),而是用調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)基本的命令、控制及用戶接口功能,用多媒體加速器使視頻、音頻和成像功能的實(shí)現(xiàn)更加容易。
對(duì)于一個(gè)希望進(jìn)入產(chǎn)品功能豐富而價(jià)位較低的細(xì)分市場(chǎng)的OEM來(lái)說(shuō),這種方案可能是最好的。因?yàn)槎嗝襟w加速器通常要比應(yīng)用處理器便宜,而且需要的內(nèi)存資源較少,所以這種方案通常能使系統(tǒng)成本更低。此外,與復(fù)雜的高級(jí)操作系統(tǒng)相比,軟件開(kāi)發(fā)可能相對(duì)簡(jiǎn)單。
當(dāng)然,它的缺點(diǎn)就是由于沒(méi)有高級(jí)的操作系統(tǒng),OEM只能提供有限的應(yīng)用,因?yàn)檫@種方案無(wú)法利用大量應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者的成果,這種成果通常與主流高級(jí)操作系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。同樣,由于沒(méi)有專用的ARM內(nèi)核,未被多媒體加速器加速的應(yīng)用(如游戲、電子郵件和個(gè)人信息管理(PIM))將達(dá)不到采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用處理器所能達(dá)到的性能。
關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮
顯然,要在這三種集成方案中進(jìn)行選擇,首先就要清楚地了解OEM期望服務(wù)的細(xì)分市場(chǎng),每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)通常由手機(jī)的目標(biāo)功能/應(yīng)用和目標(biāo)價(jià)格來(lái)定義。
如果目標(biāo)應(yīng)用是要求豐富特性的市場(chǎng),其關(guān)鍵要求是離散多媒體性能(特別是對(duì)相機(jī)而言),而且具有很強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格,調(diào)制解調(diào)器與一個(gè)獨(dú)立的多媒體加速器相連接可能是最佳方案。
然而,隨著手機(jī)不斷地從單一的電話功能向手持多媒體設(shè)備的方向發(fā)展,采用應(yīng)用處理器和高級(jí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將變得更加具有吸引力。那些將手機(jī)看成能上網(wǎng)沖浪、打電話、玩視頻游戲、看電視、聽(tīng)音樂(lè)、看電影,或者同時(shí)進(jìn)行其中幾項(xiàng)的便攜式娛樂(lè)系統(tǒng)的消費(fèi)者,將需要只有通過(guò)應(yīng)用處理器才能提供的多功能和高性能特性。
如果目標(biāo)應(yīng)用是智能手機(jī)市場(chǎng),其關(guān)鍵要求是能??持不同的高級(jí)操作系統(tǒng),同時(shí)能以中等價(jià)位提供良好的多媒體性能,那么把處理器和調(diào)制解調(diào)器集成在同一塊芯片里可能是最佳方案。
如果目標(biāo)應(yīng)用是多媒體增強(qiáng)型智能電話市場(chǎng),其關(guān)鍵要求是能??持不同的高級(jí)操作系統(tǒng),同時(shí)具有出色的多媒體性能,這種產(chǎn)品的終端用戶對(duì)價(jià)格不敏感,因此將應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分開(kāi)可能是最佳方案。
另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的是OEM仍在使用的系統(tǒng)組件的狀況。如果具有豐富??持軟件的調(diào)制解調(diào)器平臺(tái)仍可以很穩(wěn)定地工作,OEM可能愿意采用獨(dú)立的應(yīng)用處理器或者一個(gè)沒(méi)有應(yīng)用處理器的加速器,以避免用內(nèi)置在集成器件中的調(diào)制解調(diào)器替換這個(gè)調(diào)制解調(diào)器平臺(tái)。
盡管如此,在最終決定哪個(gè)方案最適合特定應(yīng)用環(huán)境時(shí),設(shè)計(jì)工程師必須評(píng)估每種方案的優(yōu)點(diǎn)。最后的選擇將會(huì)是一種折衷,即設(shè)計(jì)工程師為得到一個(gè)方案的好處而放棄另一個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)。權(quán)衡這種折衷可能需要進(jìn)行復(fù)雜的考慮,然而一般而言,每種方案都有自己的優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分離的好處
靈活性-毫無(wú)疑問(wèn),將應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分開(kāi)的最大好處是可提高靈活性。對(duì)現(xiàn)有的調(diào)制解調(diào)器抱有很大信心并已經(jīng)投入巨資的OEM,可以重復(fù)使用這些調(diào)制解調(diào)器并將它們與最新應(yīng)用處理器相結(jié)合。這樣,在不犧牲應(yīng)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(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器供應(yīng)商,更重要的是,它允許應(yīng)用處理器運(yùn)行相同的應(yīng)用軟件環(huán)境去與不同的調(diào)制解調(diào)器結(jié)合,以??持不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn),如GSM/GPRS、 EDGE、WCDMA、UMTS和CDMA。于是,OEM只要開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái),通過(guò)更換調(diào)制解調(diào)器,就可以服務(wù)于對(duì)調(diào)制解調(diào)器技術(shù)有不同需求的多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)和多個(gè)運(yùn)營(yíng)商。應(yīng)用處理器及其軟件環(huán)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,芯片制造商傾向于在獨(dú)立的應(yīng)用處理器中使用最新的半導(dǎo)體工藝技術(shù),可以比在集成器件中采用相同工藝尺寸早一年,甚至更長(zhǎng)時(shí)間。其原因之一是,更小的工藝尺寸會(huì)對(duì)調(diào)制解調(diào)器的電源管理提出新的挑戰(zhàn),在使用獨(dú)立應(yīng)用處理器的情況下,電源管理問(wèn)題比較容易解決。而在使用集成器件的情況下,要想電池使用壽命達(dá)到要求,可能要花上幾個(gè)月時(shí)間來(lái)解決這些問(wèn)題。因此,只要獨(dú)立的應(yīng)用處理器所使用的工藝技術(shù)保持領(lǐng)先于集成器件所用的工藝技術(shù),它的性能就會(huì)比高集成度的器件更勝一籌。這種性能優(yōu)勢(shì)是非常重要的。
此外,使用分離的應(yīng)用處理器還有獨(dú)占資源的好處,例如可以獨(dú)占內(nèi)存和總線資源,這樣可以提高產(chǎn)品的性能,特別是對(duì)于像多媒體和游戲這樣需要較大帶寬的應(yīng)用。
集成應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器的好處
系統(tǒng)成本-這種方法的最大好處是可獲得較低的系統(tǒng)成本。應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器利用單芯片集成以及一種有效管理和分配內(nèi)存存取優(yōu)先權(quán)的技術(shù),共享內(nèi)存資源。應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器還共用一個(gè)電源管理芯片,而在應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分離的設(shè)計(jì)中,各個(gè)器件通常需要專用的電源管理芯片。
基于相同原因,在單芯片中集成應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器,還可減少在系統(tǒng)中用于連接不同功能的邏輯電路的數(shù)量。最后,采用集成的器件(包括完整的硬件和軟件參考設(shè)計(jì))、可直接用于生產(chǎn)的PCB原理圖和布局布線圖以及經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的集成電話軟件,能夠比從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)并集成硬件和軟件更具成本效益。
功耗-這種方案所需的器件較少(更少的內(nèi)存、更少的電源管理器件以及更少的外部邏輯),因?yàn)轭~外的器件需要額外的功率,所以采用這種方案能減少功耗;同樣,應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器的位置更接近也可降低功耗;最后,集成應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器將允許單一的芯片提供商更有效地為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件優(yōu)化。
外形尺寸-集成器件包含了原來(lái)需要兩個(gè)獨(dú)立器件提供的功能,所需電路板的空間比較小,這樣設(shè)計(jì)工程師就能夠設(shè)計(jì)出尺寸更小的無(wú)線產(chǎn)品。更重要的是,它還騰出了電路板空間以安裝為無(wú)線設(shè)備提供附加功能的元件。這些附加無(wú)線電功能,例如藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)、GPS或者電視接收器,能在不增加設(shè)備整體尺寸的條件下很容易地集成在系統(tǒng)中。
開(kāi)發(fā)復(fù)雜性-集成器件大大簡(jiǎn)化了手機(jī)的全部硬件和軟件開(kāi)發(fā),因?yàn)樗旧砭吞峁┩暾南到y(tǒng)解決方案。
包括電源管理和RF在內(nèi)的所有芯片組元件從一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)成能無(wú)縫協(xié)同工作,并且在一起進(jìn)行了測(cè)試和調(diào)試。完整的硬件和軟件參考設(shè)計(jì)將與芯片組一起交付使用。硬件參考設(shè)計(jì)提供可直接用于生產(chǎn)的PCB原理圖和布局布線圖,軟件參考設(shè)計(jì)提供完整的高級(jí)操作系統(tǒng)基本端口,這個(gè)基本端口通過(guò)電話軟件與協(xié)議堆棧進(jìn)行了集成并通過(guò)驗(yàn)證
在很多情況下,參考設(shè)計(jì)還通過(guò)了真實(shí)手機(jī)在被批準(zhǔn)商用之前必須完成的測(cè)試,包括(但不限于)全面型號(hào)認(rèn)證 (FTA)、互操作性測(cè)試(IOT)、運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試以及一致性測(cè)試。這樣,硬件和軟件上的問(wèn)題在早期階段就可被發(fā)現(xiàn)并改正,否則OEM將不得不去做這些工作。
產(chǎn)品上市時(shí)間-因?yàn)榧善骷ǔT谛酒M內(nèi)集成了電源管理和RF,并與已經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)試和預(yù)驗(yàn)證的硬件和軟件參考設(shè)計(jì)一起交付,整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間可大大縮短。開(kāi)發(fā)時(shí)間的減少有助于OEM早日將有新功能或者最新一代的無(wú)線設(shè)備投入市場(chǎng)。
調(diào)制解調(diào)器與獨(dú)立多媒體加速器組合的好處
成本-正如前面所述,采用這種方案的系統(tǒng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用應(yīng)用處理器的系統(tǒng)成本。在芯片層面上,多媒體加速器通常比應(yīng)用處理器便宜,因?yàn)樗皇怯脕?lái)執(zhí)行應(yīng)用處理器的一部分功能。另外,它需要的內(nèi)存較少,因而從系統(tǒng)的角度來(lái)考慮,其價(jià)格也便宜些。
多媒體性能-通過(guò)將調(diào)制解調(diào)器與多媒體環(huán)境分離,這種方案可以更容易地利用最先進(jìn)的多媒體技術(shù)。新的強(qiáng)大的多媒體技術(shù)一旦被開(kāi)發(fā)出來(lái),就可以立即應(yīng)用到多媒體加速器中,并與現(xiàn)有的調(diào)制解調(diào)器相結(jié)合。這種方案能比采用應(yīng)用處理器的方案(與調(diào)制解調(diào)器分開(kāi)或者集成)更快地將出色的多媒體功能推向市場(chǎng)。采用應(yīng)用處理器的方案通常將多媒體功能集成在應(yīng)用處理器中,因此當(dāng)需要增加新的多媒體技術(shù)時(shí),整個(gè)應(yīng)用處理器需要重新設(shè)計(jì)。
靈活性-由于將應(yīng)用處理器和調(diào)制解調(diào)器分開(kāi),這種方案可以靈活地將任何一種調(diào)制解調(diào)器與一個(gè)給定的多媒體加速器結(jié)合起來(lái),因而能滿足采用不同調(diào)制解調(diào)器技術(shù)的多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)和運(yùn)營(yíng)商的需求,同時(shí)保持相同的多媒體環(huán)境不變。然而,就能??持的軟件環(huán)境和應(yīng)用來(lái)說(shuō),它顯然還不夠靈活。
本文小結(jié)
無(wú)線手持設(shè)備中的每一種集成方案都給設(shè)計(jì)工程師和OEM帶來(lái)了很多好處,然而它們也有各自的缺點(diǎn),只有對(duì)這些優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行權(quán)衡,設(shè)計(jì)工程師才能針對(duì)特定設(shè)計(jì)和市場(chǎng)需求選擇出可能最好的無(wú)線設(shè)備解決方案。
隨著消費(fèi)者的需求不斷發(fā)展,終端用戶不斷要求在現(xiàn)有電池壽命條件下,在緊湊的手持設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更豐富的功能,這些方案的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)可能會(huì)發(fā)生改變。例如,現(xiàn)在幾乎可以肯定,基于調(diào)制解調(diào)器和多媒體加速器的設(shè)計(jì)(不使用應(yīng)用處理器),將無(wú)法滿足消費(fèi)者對(duì)手持多媒體娛樂(lè)中心不斷提高的期望。
設(shè)計(jì)工程師在制定產(chǎn)品線路圖時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮需求的變化。但是,目前面臨的挑戰(zhàn)是對(duì)所有集成方案的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行權(quán)衡以解決是采用獨(dú)立還是集成的應(yīng)用處理器的問(wèn)題。但是,這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有一個(gè)確切的答案。
評(píng)論