雙核架構平臺在手機中的應用

目前手機市場正在向兩個趨勢發(fā)展：一個是功能相對固定，但以價格為主要優(yōu)勢的低端手機；另一個是集成的功能越來越多的高端多媒體功能手機和智能手機。從對應的平臺供應商提供的解決方案看；一方面是以TI和英飛凌，Silicon Laboratories積極推動的單芯片方案,適用于只有簡單語音與基本多媒體功能的低端手機。另一方面是杰爾系統(tǒng)(AGERE SYSTEM)，TI和高通推出的雙核架構的方案；適用于高級多媒體功能手機和智能手機；適合GSM/GPRS/EDGE/WCDMA/HSDPA等制式；且具有良好的可擴展性和可升級性；方便用戶實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化等特點，發(fā)展前景非常良好。杰爾推出的Vision雙核架構平臺及其 OptiVerse軟件框架的解決方案，獨具特色。本文以Vision平臺為例，介紹雙核手機平臺軟硬件架構，以及在手機中典型應用和主要優(yōu)勢。

雙核平臺硬件構架

當前MP3，數(shù)碼相機,視頻錄制與播放以及PDA等功能正廣泛集成到手機中；手機正從簡單語音通訊器轉(zhuǎn)換為多媒體信息平臺。同時，3G/3.5G 等無線通信網(wǎng)絡迅速發(fā)展，提供了更大的帶寬傳送數(shù)據(jù)和更多的應用。這些新功能和新應用要求手機提供更多與更強的處理運算能力。傳統(tǒng)的單處理器架構通過簡單提升CPU的頻率和指令執(zhí)行效率，已經(jīng)無法滿足這種需求。新的解決方法可以采用“基帶”+“應用”的雙處理器架構；基帶處理器由ARM7(或者ARM9)+DSP核組成，應用處理器一般由RISC核或者DSP核組成，甚至采用RISC核+DSP核的組合。現(xiàn)有的方案大多采用基帶和應用處理器分別獨立的兩套系統(tǒng)組合起來的方法，其主要的缺點是元器件多，面積大，成本高，數(shù)據(jù)交換速率不高等。分段平臺供應商(杰爾系統(tǒng)，TI和高通)提出了雙核架構這種更有優(yōu)勢的解決方案。盡管幾家雙核架構方案稍有差別，但其最主要特點都是一樣的。1，將所有芯核集成在一個單芯片中，而且IC至少包含兩個ARM CPU處理器核心(雙核)，其中ARM7(或ARM9)核負責通信協(xié)議，ARM9(或ARM11)主要負責多媒體處理，完成用戶界面(UI)，應用軟件等。2，具有先進時鐘管理和電源管理系統(tǒng)，可獨立控制各處理器核心的時鐘頻率和供電，有效地控制系統(tǒng)功耗；3，系統(tǒng)通過并行總線將各處理器核心連接起來，共享內(nèi)部和外部的MEMORY。外接的MEMORY劃分為基帶和應用及共享三個分區(qū)，MEMROY分區(qū)大小可根據(jù)應用需要靈活進行。4，整個雙核架構平臺采用由模擬基帶與數(shù)字基帶組成的雙芯片解決方案；模擬基帶已集成了電源控制、頻率控制、模擬基帶處理、音頻混合與轉(zhuǎn)換、實時時鐘和電源管理等。以AGERE VISION為例，數(shù)字基帶擁有三個處理器內(nèi)核——用于執(zhí)行通信功能的ARM926EJ-S內(nèi)核、用于執(zhí)行應用處理的ARM926EJ-S內(nèi)核，以及用于物理層與音頻信號處理的杰爾DSP16Ks內(nèi)核組成。這三部分可以由RCPC(時鐘電源控制單元)控制,獨立進行時鐘和電源管理，如圖1所示。兩個ARM926核工作主頻都為200MHz；具有各自獨立的16K字節(jié)的高速指令緩沖存儲器、16K字節(jié)的數(shù)據(jù)高速緩沖存儲。核內(nèi)包含有存儲器管理單元；核內(nèi)具有兩個共享RAM可用于數(shù)據(jù)與信息交換—其中16K字節(jié)高速SRAM由3個處理器共享；另外的16K字節(jié)高速SRAM僅由兩個ARM核共享。通過核內(nèi)的PCU(處理器控制單元)和總線裁決器可以對于內(nèi)部共享RAM進行讀寫權分配和數(shù)據(jù)保護。通過多口裁決器外接的MEMORY同樣可被由幾個處理器共享，并在AHB上增加16K字節(jié)高速SRAM作為數(shù)據(jù)BUFFER，以提高MEMORY訪問速度和系統(tǒng)性能。DSP16Ks DSP核具有良好的功耗性能比，工作主頻為200MHz。核內(nèi)包含有48K字的data SRAM，48K字的指令SRAM和16K字的patch SRAM；Veterbi協(xié)處理器等。DSP作為L1處理器和音頻處理固件(firmware)，執(zhí)行協(xié)議物理層處理和音頻處理等功能。VISION芯片還具有豐富的外圍接口，如：專用的液晶控制器和攝像機接口、帶有充電功能的集成USB2.0 OTG控制器、MMC/SD卡控制器、DIGRF等接口。平臺可簡易接入藍牙、WIFI、GPS等外設。

雙核平臺軟件構架

仍以VISION平臺為例，介紹雙核平臺軟件框架。VISION平臺融合了各Optiverse軟件框架，這些接口能夠顯著簡化諸如音頻與視頻等可定制多媒體應用的開發(fā)過程。與硬件分區(qū)類似，Optiverse 軟件采用定義精確的接口使通信與應用功能分離，從而使手持終端制造商可集中精力進行應用開發(fā)，完全沒必要擔心通信軟件會出現(xiàn)問題。Optiverse架構可分為AP(應用處理器)和CP(通信處理器)兩個子系統(tǒng)，AP主要包括多媒體及其他相關應用模塊，嵌入式操作系統(tǒng)(如Symbian、Windows mobile、Linux等)。CP包括協(xié)議棧(GPRS ,EDGE , 3G & HSDPA)通信模塊，AP、CP通過AMI( Advanced Messaging Interface)進行交互；具體模塊如圖2所示。通訊 Engine提供通訊協(xié)議； (AMI) 用于兩個ARM CPU核之間交換信息；通訊Framework 提供一個與各種應用(包括多媒體)的高層接口或者Open OS的接口；系統(tǒng) Framework負責提供外部硬件或者內(nèi)部軟件模塊(如多媒體codecs)等系統(tǒng)功能；應用Framework提供了一個完整功能的應用環(huán)境以及客戶定制API；應用層用于創(chuàng)建個性化菜單結構以及應用界面；適配層用于支持各種 Open OS的特定需要。

Optiverse軟件架構非常清晰，保證了低耦合、強內(nèi)聚的基本原則；每個模塊都有明確的功能，模塊之間功能沒有重復。如OSFApp只負責用戶交互相關的處理(鍵盤、觸摸筆等)；OSFComm只負責提供協(xié)議棧相關的功能；OSF System只負責系統(tǒng)相關功能(驅(qū)動、OS接口、功能lib)；應用層只負責純應用開發(fā)。

Optiverse應用功能模塊與協(xié)議功能模塊的分割，便于在OSFComm和CP結構之上定制第三方應用架構，包括采用Open OS。Agere可以實現(xiàn)對協(xié)議棧相關模塊的單獨升級，而不影響應用模塊。

雙核架構手機平臺典型應用

在雙核架構手機中CP專心處理通信協(xié)議，AP負責UI、java虛擬機、嵌入式瀏覽器、多媒體功能等應用。這可以很好的解決單CPU方案多媒體手機，同時進行通信和娛樂應用時，響應速度慢，及部分應用無法同步進行的問題；比如在進行通話和數(shù)據(jù)下載的同時進行視頻或移動游戲。可以很好提升了用戶體驗；雙核架構在高端多媒體手機應用具有明顯優(yōu)勢。

雙核架構平臺另一典型應用是智能手機。目前市場上智能手機主要采用分離式雙CPU方案；一個通訊基帶處理器和一個多媒體功能應用處理器。通常，手機平臺供應商提供的基帶處理器和無線通信協(xié)議軟件，作為無線MODEM用，實現(xiàn)空中接口，執(zhí)行通訊相關功能。而應用處理器作為主控制器，具有非常強的處理運算能力；其運行UI和多媒體功能等應用軟件及WindowsMobile、Symbian、嵌入式Linux等(OPEN)操作系統(tǒng)。采用分離式雙CPU方案，兩個處理器需要各自獨立的完整的電源管理系統(tǒng)和各自的外接MEMORY；需要各自的軟件升級接口。兩者之間一般需要多路模擬開關來切換音頻通路；AP端一般需要外加音頻CODEC。此外，兩個處理器之間通信方案在需要支持高速無線接口時，比較復雜。經(jīng)常使用的通信方案是利用IC集成的通用的嵌入式接口 UART或USB。UART一般傳輸速率為115k~230kbps，僅適合GPRS；使用時需要考慮不同供應商的應用和基帶處理器的接口兼容問題。低速USB 1.1接口在可提供最大為1.5Mbps的傳輸率(無補償重復和握手等操作)，可支持Edge實現(xiàn)；此方案要求基帶處理器必須具有USB接口，而應用處理器能夠支持USB HOST或者USB OTG設備；軟件處理相對比較復雜。對于更高速無線接口如WCDMA、HSPDA(10Mbps)等應用，比如視頻會議等流行的視頻應用要求兩個處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率至少為2Mbps；UART與USB不能滿足速率傳輸要求；需要采用專有ASIC方案或者多端口存儲器。ASIC由于高成本和設計局限性，很少被采用。多端口存儲器接口存在著IC尺寸較大，增加系統(tǒng)成本和功耗的問題。采用分離式雙CPU方案設計的智能手機基本存在元器件多，面積大，成本高，響應速度慢，軟件升級麻煩等問題。雙核架構平臺采用的是共享 Memory (ROM and RAM)；雙處理器的通訊效率很高，數(shù)據(jù)傳輸速率很高，對大數(shù)據(jù)傳輸有很大的優(yōu)勢；很好得解決了處理器之間通信(數(shù)據(jù)交換)的問題。AP與CP信息的交互通過SHARE RAM有效快速的進行；可以很好地解決UI操作速度慢等問題。電源管理和音頻處理等電路集成在一個ABB芯片。整個方案采用高度模塊化的系統(tǒng)架構，非常簡潔，產(chǎn)品化設計容易靈活，設計出產(chǎn)品的尺寸小，系統(tǒng)成本低。平臺供應商很容易進行系統(tǒng)升級；可以保持整個架構不變，通過簡單地更換AP處理器(從ARM9換成ARM11，主頻從200MHZ提升到450MHZ或者更高)來增強處理運算能力，對于移動通訊設備市場發(fā)展的新趨勢和新應用具備良好的適應性。對于手機制造商進行新產(chǎn)品設計時，則可以利用最小的設計資源，最大程度重復利用基本設計，針對不同細分市場快速將產(chǎn)品市場化；產(chǎn)品系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

目前高端手機正集成越來越多的功能(藍牙，手持式GPS功能，WLAN，手機電視等)。新功能的需求對于成本，功耗和產(chǎn)品體積提出了更大挑戰(zhàn)。超薄、輕巧、功能加強、低成本是手機未來發(fā)展的趨勢。雙核架構方案從根本上解決很好滿足高端手機發(fā)展的需要，表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景和巨大的潛力。

結語

雙核架構手機平臺顯著優(yōu)勢，吸引許多手機平臺供應商參與為實施雙核(多核)解決方案而不斷努力。杰爾，TI和高通都已經(jīng)提出各自的解決方案。AGERE VISION平臺已經(jīng)有AMOI和SAMSUNG等廠家所采用；AMOI的6款智能與功能手機已經(jīng)上市；SAMSUNG也將在近期推出產(chǎn)品。TI雙核平臺也已經(jīng)被廣泛采用并成功產(chǎn)品化。高通的MSM7K雙核平臺面對HSDPA高端智能手機，全球諸多廠家正在此平臺進行產(chǎn)品開發(fā)；產(chǎn)品將在2007年Q2前后推向市場。雙核架構手機平臺必將在高端手機占據(jù)越來越大的市場份額，并逐漸成為市場的主流。

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