TI、英特尔和杰尔系统等半导体供应商都针对智能手机推出各种应用处理器和完整的硬件方案,这些方案在功能集成、性能和功耗方面各具特色；在操作系统上,Symbian、微软、PalmSource和Linux阵营分别拥有不同的支持者和技术优势。本期专栏针对硬件平台、操作系统和低功耗设计分析当前的技术现状,并介绍高级消息接口技术的应用。
半导体技术的发展已经使智能手机的概念不再仅仅是手机+PDA的简单内涵,当前的智能手机方案已经能实现很多通常在桌面电脑中才涉及的性能和功能,包括高保真立体声效、3D图形效果、DVD效果的视频播放以及具有丰富体验的多媒体游戏等。智能手机的强大功能促进了其市场表现,据CCID统计数据显示,2003年中国智能手机市场实现销售量132.6万部,比2002年增长224.2%。由于以下因素智能手机市场将继续保持高速发展:PDA市场继续萎缩,有相当一部分需求将转移到智能手机上；中国运营商在2.5G和3G网络建设的进程加快,移动网络的带宽和传输速度会不断提高；针对智能手机的内容、服务和数据业务不断丰富；方案提供商将推出更高集成度、多功能、低功耗的技术方案；激烈的市场竞争和整个市场的扩大将使智能手机有更多的降价空间。据预计,2008年中国智能手机市场将达到近400亿元的规模。
对开发工程师而言,智能手机相对传统手机的最大差异是前者在传统的基带处理器之外还增加了一块应用处理器,并采用了可以运行应用软件的嵌入式操作系统。而丰富功能的实现离不开先进的应用处理器,当前的主流应用处理器时钟超过200MHz,通常都集成了ARM内核、视频加速器、各种接口控制器、内存以及显示驱动等电路。然而多功能集成与电池容量的不足使得方案提供商面临低功耗设计的挑战,在电池容量有限的条件下采用新的节能技术是唯一的出路。此外,操作系统是智能手机运行不可或缺的软件环境,目前主流的操作系统包括Linux、Symbian、Windows Mobile和Palm,在开发环境、开放性和软件集成上这些操作系统各具优势。
硬件平台各领风骚
当前的主流智能手机定位在“手机+个人娱乐中心+个人信息中心”,实现这些丰富功能的核心器件是具有强大处理能力和高度集成的应用处理器。当前的主流应用处理器大多数采用了ARM系列处理器内核,但都根据自有技术进行了优化和集成,并推出独特的处理器架构,如英特尔的XScale和TI的OMAP2,开发商基于相同处理器架构能很容易地实现产品换代开发,能很方便地应用原有的开发成果。方案提供商在推出应用处理器的同时还提供完整的参考设计和设计平台,如TI的TCS2620和Freescale(其前身是摩托罗拉半导体公司)的Innovative Convergence系列平台。此外,为加快开发商产品开发并提高其方案的竞争力,每个方案都有大量的第三方厂商提供完善的技术支持,可以提供从硬件系统设计到软件集成的完整方案。
英特尔进军智能手机市场的最大优势是在CPU技术上的积累,以及在笔记本电脑应用中的先进技术。其早期推出的PXA25x和PXA26x 应用处理器已经在国内智能手机产品中得到应用,如联想的ET560和大显CU928。最新推出的PXA27x应用处理器集成了该公司SpeedStep低功耗技术和可提供额外的性能来支持3D游戏和高级视频的无线MMX技术,最高配置的时钟可以达到624MHz。为加强多媒体表现性能,在推出该处理器的同时,英特尔还推出了具有很强多媒体处理能力的加速器2700G,支持MPEG2、MPEG4以及Windows Media Video 9等格式。PXA27x还集成了英特尔快速捕捉技术,从而可以实现高达4兆或更高像素的相机手机设计,实现捕获数字图像、视频和实时预览应用,在可视通话和电话会议应用中具有优势。
在提供完整的解决方案上,英特尔在模拟和射频技术上具有一定不足,但该公司正在加强这方面的技术研发力度,在未来的智能手机方案中将可能采用自有的模拟和射频技术。据悉,该公司将在2005年实现双芯片的手机方案,在2008年推出智能手机单芯片方案。
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TI公司主流的应用处理器OMAP730集成了ARM926TEJ处理器内核和 GSM/GPRS 数字基带处理器,具有独特的SRAM 帧缓存用于提高流媒体和应用程序的处理性能,提供复杂的硬件加密功能,并采用了Java硬件加速器。基于该处理器的TI主流智能手机平台TCS2600充分体现了其完整的系统配套能力,该平台采用了TRF6151作为GSM/GPRS的RF组件, 并集成了LNA、VCO和PLL等射频外围器件；TWL3016作为模拟基带,集成了所有相关的模拟功能和电源管理功能。
在多媒体方面,新推出的基于OMAP 2架构的OMAP2410与OMAP2420应用处理器进一步加强了多媒体功能。OMAP2410集成了ARM1136JS-F内核、可编程 DSP、2D/3D 图像加速器、集成的相机接口、DMA控制器等。OMAP2420处理器在OMAP2410上增加了[0]一个支持4百万像素的静态拍摄应用,以及分辨率为CIF到VGA的全动态视频编码或解码的可编程图像与视频加速器。
TI公司是传统的手机方案提供商,其最大优势通常认为在DSP技术、电源管理和模拟前端等整体方案的配套能力,以及在手机方案设计上的多年经验。此外,先进的半导体工艺技术也是TI公司的最大优势,OMAP2420/2410采用了90纳米工艺和先进的低漏电流技术,该公司计划在2005年推出采用65纳米工艺的样片,使晶体管密度提高一倍。
Freescale是另外一家重要的手机方案提供商,该公司同样具有极强的系统配套能力,能提供完整的系统解决方案。其系列嵌入式应用处理器采用了ARM内核,主流应用处理器21在多媒体和安全性能、并行处理能力等方面都有不错的表现。21拥有一个总线主接口,可减少与外部多媒体协处理器进行通信的系统开销,因此可提升整体系统性能,可支持实时MPEG4和H.263编解码,最高可每秒传输30帧CIF或QVGA图像。另外,21还支持Mobile Java 3D 和OpenGL-ES等先进的图型软件标准,以及Superscape、HI Corp和Fathammer 3D软件引擎。在未来的3G手机方案中,Freescale将集成NVIDIA公司的Gforce 4000处理器以增强多媒体性能。
Freescale基于其系列嵌入式应用处理器推出的i.200-20、i.250-20、i.250-21、i.275和i.300-20等多个Innovative Convergence平台方案,开发商采用这些平台可以开发出从以语音为主的2G手机到具有丰富功能和特色的3G手机,保持了开发商产品开发的延续性,并能很容易地实现开发平台的平滑转换。
杰尔系统提供的模块化Vision智能手机架构结合了先进的数字基带芯片组、软件以及开发工具,能实现高度集成的低功耗设计。为了提高安全性,杰尔系统提供了一次可编程存储器(OTP),可以在芯片组内分配单独的序列号,用于唯一标识基于 GSM 的电话；提供的软件包括协议栈用于支持不同层次的手持终端以及不断更新的移动标准；此外,杰尔系统还与集成的软硬件一同提供OptiSuite设计工具,该工具是一套集开发、生产与测试为一体的工具。杰尔系统在手机方案提供上具有超过10年的经验,并与国内夏新、首信等开发商具有稳定的合作关系。
操作系统四强争锋
当前智能手机主流的硬件平台都支持Linux、Windows Mobie、Symbian和Palm等主流操作系统。大多数操作系统都声称其开放性,支持软硬件扩展,同时支持原有软件的移植,并提供丰富的源代码以方便开发商和第三方软件提供商的开发。
Symbian提供三个主要的智能手机平台,分别是适于单手操作的S60、双手操作的S80和以笔操作为主UIQ平台,其中S60的应用最多,诺基亚、索尼爱立信、西门子、三星等企业都在应用S60平台进行开发。相比于其它几个智能手机操作系统,Symbian在手机用户的接受程度、手机软件的易用性、运营商的合作等方面都有一定优势,并具有较好的开发工具和开发环境。此外,Symbian公司的股东诺基亚和索尼爱立信等几家手机巨头的支持也是其他竞争对手不可企及的巨大优势。
微软在移动终端操作系统上有三个系列,分别为Pocket PC、Pocket PC Phone Edition和Smarphone(统称为Windows Mobile),最新推出的Windows Mobile操作系统底层采用Windows CE .net 4.2内核。微软在智能手机市场上主要竞争优势包括:集成了用户熟悉的常用软件,如Mobile outlook和Windows Media Player等,可以方便地通过有线或无线与PC进行数据交换；在用户中拥有广泛的品牌认知度；强大的生态系统支持,目前全球已经有50家运营商和30家终端开发商采用其方案,以及众多的第三方软件开发商；自身强大技术开发能力,例如微软的Speech技术、Mappoint位置信息服务平台、电源管理模块等已经在一些智能手机产品中采用；微软还提供具有良好界面的工发工具,这些开发工具通常为工程师所熟悉。
Linux操作系统的最大优势是便宜和开放性。Linux操作系统因为其开放性而得到一些公司的支持,目前很多开发商本身并不希望在操作系统方案上受制于人并增加产品开发成本,而源代码开放的Linux是最好的切入点。由于很多公司在Linux桌面应用开发的经验而促成其转向到智能手持终端产品的开发中,国内基于Linux的嵌入式操作系统应用开发商远多于桌面应用开发商,Linux具有最大的自由开发群。此外,由于其开放性使工程师可以对系统有更深入的了解,并能针对特定硬件方案和产品需求进行优化,通过了解源代码开发很多应用。由于其源代码的开放性,Linux+Java的应用性能更好。
然而Linux操作系统有其先天的不足:入门难度高、熟悉其开发环境的工程师少、集成开发环境较差；由于微软PC操作系统源代码的不公开,基于Linux的产品与PC的连接性较差；尽管目前从事Linux操作系统开发的公司数量较多,但真正具有很强开发实力的公司却很少,而且这些公司之间是相互独立的开发,很难实现更大的技术突破。尽管存在这些不足以及其他操作系统的咄咄逼人的挑战,Linux固有的优势和开发商的支持将使Linux在智能手机市场中占有一席之地。
Palm凭借在PDA和掌上电脑市场上的优势地位进入智能手机领域,在智能手持设备市场上具有一定的客户基础,并具有很好的专门开发工具。传统的PDA开发商用该操作系统进行智能手机的开发可以加快其开发进度,其原有的应用软件可以方便地移植。国内采用该操作系统进行产品代工的企业较多,但在国内智能手机市场上的应用很少。一般认为该操作系统在智能手机市场上将面临越来越严峻的挑战。
低功耗电路技术
目前智能手机多采用容量在1000mAH以上的电池,然而相对于普通的手机而言,智能手机的双处理器结构、彩色显示屏、以及更多的外设都需要消耗大量电能。在电池容量有限的条件下,提高电源利用效率、低功耗半导体工艺以及新的低功耗技术标准的应用十分重要。
智能手机的彩色显示产生较大的功耗。一般智能手机需要采用3个以上的白光LED作为背光源,通过电荷泵或电感开关来提升驱动电压。前者在智能手机中应用较多,具有亮度均匀、体积小、外围器件少的优点,但效率较后者低,通常在选用时需要对功耗和体积进行权衡。新的显示技术如21采用的智能显示技术在内部集成了控制器和存储器,从而能够分析图像是否已发生变化,并仅在图像变化时才进行刷新,从而极大地延长电池使用寿命。此外,由国家半导体公司(NSC)发布的串行接口标准-移动像素链接(MPL)也有助于实现低功耗显示。该标准用于应用处理器与相机和显示器之间的接口,能实现高达1Gbps的数据率,最大开关电流仅为1.5毫安,在简化接口的同时降低功耗。NSC已经推出集成MPL的相机接口和显示接口电路LM2501和LM2502,并计划在其CMOS传感器中集成该技术。
先进的电源管理技术对降低应用处理器、数字基带和模拟基带的功耗也十分关键。目前常用的方法是针对不同的处理任务采用不同的工作频率和电源,如TI的SmartReflex动态电源管理技术可以监视电路速度来调节电压,该技术将在2005年用于其无线应用电路中。当前的电源管理是由应用处理器通过I2C总线实现与电源管理单元(PMU)的信号接口,这种实现方法需要应用处理器的干预,效率低。NSC的 PowerWise技术采用了先进的系统级解决方案,将系统视为整体,该技术包括了一个自适应电源控制器(APC)的内核,APC决定电路需要的功率,并利用高速的低功率PowerWise 接口将有关信息通知外置的电源,电源收到这个信息之后,便会采用不同的方法节省能源,如提供不同的电压和电流。NSC与ARM合作制定可支持该接口的内置电源控制器IP。
由于智能手机各种功能模块需要的工作电压不同,因此电源管理芯片需要具有多输出电压、高输出电流和高集成度。这种电源管理的发展趋势将带来新的电源技术变革,传统的标准电源产品将难以满足智能手机电源需求,需要针对特定的标准和产品,将更多功能集成到单一硅片内,包括多种电源转换、监测和控制电路,集成度由特定的硅处理能力、系统要求和目标成本来决定。这类电源电路如安森美电源管理专用电路NCP4110,NCP4110可同时提供七个LDO和一个同步降压型转换器。
从合作看技术发展
智能手机市场的巨大发展前景必将使硬件方案提供商之间、操作系统提供商之间,甚至运营商之间的横向竞争日趋激烈,但同时方案提供商与开发商、方案提供商与运营商、第三方开发商与方案提供商以及运营商之间的纵向合作将进一步增强,建立合理的产业生态系统将对智能手机市场发展产生极大推动。这些合作主要包括:方案提供商与开发商之间的合作来提供更优化的方案；操作系统商针对特定的硬件方案提供优化设计,如进行功耗的优化、无线接口优化、多媒体功能优化等；方案提供商与运营商的合作推出更多更好的服务平台；、第三方开发商与方案提供商和开发商之间合作提供多样化的完整解决方案,促进运营商的多种无线服务。
另一方面,新技术和新标准不断出现,这些技术和标准的兼容性、一致性等问题将影响到整个产业的发展,而不同的标准和技术代表不同的利益集团和利益冲突。目前,业界的主流的应用处理器都采用ARM处理器内核,给系统开发带来很多更多便利。然而还有很多标准和技术并未得到广泛采纳并存在兼容性问题,如PowerWise技术、MPL技术以及虚拟机技术等。这些技术的发展变化将对未来智能手机技术带来一些变数。
半导体厂商的完整解决方案使开发商从繁重的开发工作中解脱出来,目前开发商的工作更多是基于这些方案进行板级设计以及产品特色开发,如用户界面的编写、外观设计,开发商必须加强应用开发能力以及方案集成能力。基于平台方案的功能创新、新特性、用户界面设计以及外观设计仍然将是国内开发商的工作重点,进一步提供系统稳定性、可靠性,提高设计的可制造性。产品之间的兼容性、互连互通性以及应用软件的互用问题还有待解决。
作者:蒲文清
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