Vision手机架构：可降低功耗简化设计的新型架构

　　移动市场正在进入一个快速发展的时代，新服务的出现正在推动前所未有的对新应用和新特性的需求。手机用户所需要的产品是能在不牺牲手机大小和功耗的前提下，提供真正的移动性能。
　　
　　这是下一代手机设计者和相应的芯片供应商都必须面对的挑战。随着开发、测试和验证软件的过程成为设计工作的主要部分和手机及时上市的关键因素，只在单个处理器内运行所有手机软件已不可能满足要求。
　　
　　采用多个分离的应用处理器的临时性解决方案在短期内是可行的，但它们会显著增加功耗，使电池寿命变短，而且物料成本也会增加。
　　
　　采用一个高性能内核、既处理通信协议又实现应用的单一处理器方法也受制于功耗方面的挑战和所需软件复杂性带来的一系列问题。
　　
　　为这类系统添加新应用或新通信功能，会牵涉到令人头痛的测试和验证，开发过程将延长好几个月，并使得派生产品的开发既耗时又费钱。转向一个更高性能的内核意味着实际上必须重新编写和重新测试代码，从而再次使开发过程大大延长。
　　
　　软件是手机开发主要的耗时因素。减少派生产品的开发和测试时间可以急剧缩短上市时间及获取收益的时间，但是与此同时必须使手机供应商能够满足运营商对新功能和新用户界面的需求。
　　
　　因此软件开发和测试对手机供应商来说是个关键问题。使尽可能多的代码得到复用是，定制和修改工作对系统其它部分的影响要尽可能的少，这两点至关重要。
　　
　　改变单一高性能处理器中的任何一行代码都可能需要对相应系统进行从头到尾的重新测试和重新验证。
　　
　　为系统的不同部分采用多个不同的处理器内核可以克服软件开发中的这些挑战，而且可大大降低手机的功耗。一个架构设计良好的软件和硬件系统将所有的处理和外设功能集成在单一芯片上，可降低手机设计的复杂性，从而减少所需物料、制造成本和硬件测试成本，同时可以加速手机的上市时间。
　　
　　选择一个具有可合成、可伸缩内核的工业标准处理器架构现在可以使整个架构提供最佳的性能表现，而且在将来可满足广泛的设计需要并保持软件的兼容性。
　　
　　一旦这种方法同软件开发的优势结合起来，就可以给手机开发商和运营商带来关键的益处。
　　
　　硬件架构
　　
　　杰尔系统公司的Vision手机架构将一个专用的通信引擎与一个独立的应用处理器结合在单一芯片上，通过共享存储器实现连接，还集成了若干种外设。该架构的设计构想是既能扩展应用性能又能适应通信承载技术的变化。因而，随着承载技术从GPRS发展到EDGE再到UMTS直至新出现的高速数据包访问(HSDPA)协议，其中的通信处理器可以相应升级，同时又不会干扰应用处理器。同样，应用处理器也可以被改变以应对日益增多的多媒体要求，从MP3到视频播放再到视频电话。这使得很大程度上的复用成为可能，从而使个人宽带变为现实。
　　
　　以2.5G GPRS/EDGE实现为例，此通信引擎把一个ARM处理器同一个DSP16K数字信号处理器紧密结合在一起。DSP引擎处理通信连接方面的各个实时单元，而ARM处理更高级别的协议栈。
　　
　　这和传统的单芯片方法有很大不同，因为后者所有的应用任务都由处理通信连接的同一个处理器来处理。这对该单一处理器及其存储器子系统提出了很严格的要求，而且所有应用软件都要经过充分验证，它们一定要完全可靠，避免手机的通信性能受到损害。
　　
　　例如，应用区的一个缓存器超负荷运行也许不会损害某个特定应用，但它有可能在通信方面引起冲突问题。
　　
　　反之，在Vision架构中一个独立的处理器用来运行应用程序，包括高级操作系统。
　　
　　这种可伸缩的架构可使多种派生产品实现性能优化，以便ARM应用内核能为各种各样的手机提供高层次的多媒体支持。Vision架构还支持高达每秒30帧的VGA解码和MPEG-4及H.263视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M像素的数码照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声话筒。这种强大的功能组合为很多应用提供了一个平台，如MMS多媒体信息发送、WAP浏览、Java游戏和视频电话。
　　
　　处理器之间的接口通过一个共享存储器实现，它由处理器控制单元(PCU)进行判优。PCU处理三个处理器之间的通信，来访问存储器并传输数据。与通信和应用处理器分开的架构相比，为通信引擎和应用处理器采用共享存储器可以节省相当多的物料成本， 而分开的架构需要它们各自独立的存储器管脚。
　　
　　电源管理
　　
　　使所有处理器集成在一个芯片上非常有利于电源管理。首先，由于不必从片外连接到应用处理器，因而带来很大的功率节省。各个I/O模块是功率的主要消耗单元，所以避免片外连接并采用片内存储器可以显著减少功耗。
　　
　　时钟发生单元是该器件内部的电源管理主体，它可由通信内核上的电源管理软件控制，也可以由运行在应用内核上的应用程序控制，以便实现不同级别的功率控制。
　　
　　通过这种器件集成、电源管理和工艺技术的结合，Vision架构的功耗只是其它解决方案的一半，从而显著延长电话的待机和通话时间。

　　各自分开的处理器不仅在使用时可以降低供耗，而且这种分开意味着一个高功率效率的处理器用来实现在大部分时间都开着的功能，而不是必须让一个高性能处理器始终保持“开”，以便处理电话功能。
　　
　　为了从既实现电话功能又处理新兴多媒体应用的单一处理器那里获得同等的性能，就需要一个运行速度超过250MHz的强大处理器。这还需要转向采用一种高漏电流的硅工艺，这样在待机模式下也要消耗更多的电流，结果大大缩短总的电池寿命。漏电流甚至在相应处理器没被使用时(在手机应用中大概要占80%的时间)也消耗功率。[page]
　　
　　对正在演变的应用的支持
　　
　　Vision架构还允许其它外设被添加到一个模块化设计之中，同时不影响应用引擎或通信引擎，因而使得派生手机的开发相对容易一些。该器件的第一代包括USB OTG等外设以及UARTS、GPIO和SSI等标准数据接口。
　　
　　由于该架构固有的可伸缩性，因此一旦有需要，更高性能的内核就可以集成进来作为应用处理器，为具有更先进多媒体应用的特定设备服务，同时保持基本的通信引擎不变。

　　
　　图1：Vision手机架构
　　
　　将通信引擎升级的能力可用来提供更高性能的通信功能，如WCDMA和GSM(支持GPRS及EDGE)双模，以及新的HSDPA协议，这是该架构的一个关键特性。
　　
　　该单芯片、多内核处理器是个数字基带器件，它可以和一个混合信号器件协同工作，完成诸如系统电源管理、无线电子系统接口、LCD和扬声器控制以及其它混合信号模块等功能。此外，为这个器件选择合适的工艺，如优化的混合信号工艺，对保持该系统功耗尽可能低是至关重要的。
　　
　　软件架构
　　
　　从软件角度考虑，把经过验证的专用通信引擎中的各个通信单元分离出来可以使大量验证合格并能用于生产的实时代码直接复用。
　　
　　这和单处理器方法非常不同，在单处理器方法中通信协议栈必须同其它应用程序集成在一起。这可能会大大增加软件开发时间以及使最终手机通过测试和验证的时间。
　　
　　在Vision架构的第一次实现中用作通信引擎的ARM和DSP16K是非常成熟的器件，它们已经用在以前的许多芯片之中，包括Sceptre、LF、TC、HP 和HPE，从而使它成为一个现成的解决方案。Sceptre HPE已经在运行GPRS和 EDGE，而且相同的代码将移植到Vision以加入这个经过验证的功能。
　　
　　此代码提供对四频带(800/900/1800/1900) GSM系统和全部四种语音编解码器的支持，包括半速率、全速率、增强全速率(EFR)和自适应多速率(AMR)。这使得一种单一的手机设计就可在世界各地通用。针对下一代W-CDMA 3G手机的新的编码解码器，如宽带AMR，正在开发之中。
　　
　　其中，DSP处理底部的1层协议栈，负责完成设置、分解、编码呼叫的具体工作。ARM内核处理2层和3层协议、无线电资源管理、移动和呼叫管理以及一小层附加软件以控制到该应用处理器的接口。
　　
　　尽管通信功能主要是靠铃声提示，但该DSP也可用于其它功能，最重要的是音频。该架构允许DSP16K处理音频功能，如用于44Kbps高保真立体声的两通道音频解码，这个特性在多功能手机和智能手机中变得越来越常见。
　　
　　于是这开辟了处理器之间采用一种新的通信方式的可能性。从传统上看，应用处理器通过AT指令和通信子系统进行通信。这些是现成的，在今天的手机中也非常可靠和有效。
　　
　　但是随着对系统性能和功耗的要求日益苛刻，这些指令正变得越来越不能胜任。其主要缺点之一就是AT指令只能顺序执行，而且每条指令必须在下一条指令执行之前完成。这使得应用处理器留有大量的空闲周期。这些指令还存在一些固有问题，例如，从数据模式变到指令模式是采用+++序列，如果这存在于数据流中，系统则切换回指令模式，终止该数据流。
　　
　　AT指令也没有任何分组或IP地址的概念，所以需要加入点对点协议(PPP)以实现互联网连接，但这会引入延迟。
　　
　　EDGE和UMTS之类的新功能将需要麻烦的新AT指令，它们需要从头开发一个新接口，而且不能复用现有技术，从而延长了开发和定制时间。
　　
　　实现处理器之间接口的一种新方式就是先进消息发送接口(AMI)。它利用共享存储器接口来实现GSM栈顶部的一个信令协议。指令可以并行处理，用一个事件驱动机制来通知控制器何时一条指令已经完成。
　　
　　这种方式速度更快而且功率效率也更高，它允许系统的各个部件进入睡眠模式直到当前事件完成或直到一个新事件发生。这对于基于分组的连接尤其有用，因为可以使系统在各个包之间处于睡眠状态而不是象采用PPP连接那样必须保持全功率状态。[page]
　　
　　应用框架
　　
　　在应用处理器方面，杰尔提供的一个应用框架既可作为函数调用来访问，也可作为一个库来访问，以便支持各种高级操作系统，如Symbian、Windows Mobile、PalmOS以及嵌入式Linux。这个框架还可用于实现来自业内领先供应商的附加环境，如OpenWave、Esmertec和Savaje。该内核还可处理的应用包括GPS卫星定位、3D图形、MPEG-4视频、蓝牙网络以及先进音频编码(AAC)和MP3音频。
　　
　　在该应用框架内，对Java的支持通过来自第三方供应商的各种各样Java引擎来实现。有一些公司的引擎，如Esmertec，已经预集成进该框架，它们采用函数调用通过AMI来访问不同处理器内的功能。

　　
　　这支持最新的无线工业Java技术(JTWI)实施方案，从当前的MIDP2和连接有限器件配置(CLDC)1.1规范向前发展，目前的手机正在逐步淘汰那些原有的规范。JTWI包括针对无线消息发送的JSR120规范，以及给Java游戏和应用一个多媒体API的JSR135规范。
　　
　　通过利用Agere公司在向现有手机厂商供应软件和硅芯片方面的经验，提供这些操作系统和Java环境可作为马上可以生产的预集成解决方案，它们专为应用处理器而优化，而不是作为一个仍必须集成进该系统的第三方应用软件。这使得手机开发商可以集中精力于应用本身及其增值上，而不是把很多开发时间用在第三方环境的集成方面。
　　
　　定制设计
　　
　　定制正在成为手机开发商和运营商的一个共同的关键需求。手机设计人员希望有一个单一的平台，它应该可以为世界上不同地区以及同一个地区内的不同运营商进行定制，使用户界面的外观可以改变。
　　
　　Vision架构提供了一个“品牌中心”，在那里图像可以存储成一个公共软件开发商模型里的资源。这使得用户界面的逻辑结构可以被编写，只要提取相关的资源信息，如公司徽标的各个位图。
　　
　　除了可以改变界面颜色和文字符号之外，这还使得菜单结构很容易改变，从而可以与运营商的服务和优先考虑的产品相匹配。这类定制甚至可以在零售这一级实现，因而最新的屏保或行销图像可以在销售点加到电话之中，极大地减轻了运营商和零售商的库存控制和存货负担。
　　
　　所有这些都是用于开发、生产和测试的OptiSuite设计工具的一部分。这些工具可广泛用于各种各样的设计和支持硬件之中，完成网络级的仿真和定制。