由於電信系統業者迫切要求增加手機功能，進而提高平均用戶貢獻金額(ARPU)，促使終端設備製造商在設計下一代智慧型手機及功能時，必須做出基本的抉擇...
由於電信系統業者迫切要求增加手機功能，進而提高平均用戶貢獻金額(ARPU)，促使終端設備製造商在設計下一代智慧型手機及功能時，必須做出基本的抉擇。他們可以選用傳統半導體供應商的晶片組，利用數據機CPU/DSP內建或沙箱式安全保護設計(sand-boxed)的備用容量來支援各項應用，或選擇可擴充應用功能的應用裝置，以配合指定的產品特性，這種裝置通常以輔助處理器的角色，與基頻晶片搭配使用。
對於終端設備製造商而言，究竟傾向選擇何種方案？首先，讓我們看一下商業發展上的驅動因素：
‧系統業者要求製造商提供支援先進服務的手機，以提升ARPU並減少客戶流失。
‧系統業者希望能夠將應用下載到手機上，並確保這樣不會對數據機造成負面影響和造成網路中斷。
‧應用程式對效能、MIP和記憶體的需求是不受限制的，而這些不確定的要求和傳統架構加在一起，使得任何一種應用和數據機的組合，都需要花費昂貴的成本進行反覆測試和認證。
‧然而，我們預計在兩年內每種數據機都需要支援、維持、趕上最新的相關法令標準，增加SAIC第五版等新的標準化功能，其成本會大幅增加。
上述的情況，均令業界對一種新的硬體和軟體架構產生需求，藉此將應用程式和數據機功能分離，並為兩者提供單獨的發展藍圖。
那麼，究竟是哪些原因促使半導體廠商採用不同的方法來提供手機系統架構呢？傳統的數據機包括一個處理訊號鏈的演算法引擎，以及一個用於處理控制流程和用戶介面的通用CPU。實際上，基本標準的改變進程緩慢，單從GSM、GPRS和EDGE分開部署來說，就花了10多年的時間。同時，這些標準上的變化使市場越來越快地對訊號處理、控制及用戶介面等方面提出了更高的要求，例如目前的EGPRS數據機要求DSP提供80MIPS，CPU提供25MIPS。現有的技術水準有能力為適合行動電話的低功率流程提供300以上的MIPS，這使得一些基頻供應商認為未來所有應用程式都應該在數據機上運作(主要是以軟體方式)，而不需要單獨的應用裝置。雖然乍看之下利用這些備用的MIPS支援各項應用很有吸引力，但實際上這或許並不是最佳的系統解決方案。
為何應該把數據機視為不受應用要求大小所影響的「黑盒子」，其中有著多方面的原因。改變數據機有極大的挑戰性－它是一種嚴格的即時系統(hard-real time system)，除了需要投資大量成本在整合和驗證工作外，所有變更需要經過各種監管機構(如GCF/PTRCB)的核可，也要通過系統業者和基礎設施廠商的相容性測試(IOT)。此外，像Vodafone這類系統業者每三個月都會推出新的應用。相對於數據機「依據標準而變化」的緩慢速度，應用的變化則是以「消費市場」的速度而進行的。
理想的解決方案需要具備下列屬性：
‧最少數量的外部記憶體元件(FLASH、SRAM、SDRAM、DRAM……)。
‧確定分離數據機及應用，以縮短批准時間，簡化整合工作及加快應用原型的開發。
‧管理和控制整個系統的電源。
‧可彈性擴充應用系統的能力或數據機標準(或等級)，以符合目標成本和規格。
本文的剩餘部分將說明如何將數據機與應用處理器，成功整合成系統單晶片(SoC)或多晶片封裝晶片(MCP)，而產生一套支援各種電話功能的高成本效益解決方案，從執行Symbian UIQ版本7、Linux或Microsoft作業系統的智慧型手機，到專用應用環境的電話。此外，數據機的發展還可與應用處理器的發展分道揚鑣，進而縮短產品的開發及核可周期。
目前，對什麼是數據機(或基頻晶片)最佳的內部架構，以及該架構應該內建一個、兩個還是更多的處理器的問題上，存著一些爭論。所謂「單處理器數據機」通常可以在單一引擎上執行整個通訊堆疊和應用，包括可高效率執行C的增強型DSP，或可以執行運算工作的增強型CPU。只要數據機能夠滿足系統要求(匯流排頻寬、功能、效能等)、成本(晶粒面積)、功率預算，並將產品開發的工作量降到最低，上述討論就毫無必要了。
這部分主要介紹將數據機整合到應用裝置的主要問題，為讀者描述了多功能手機的主要元件。
當嘗試將不同功能的兩種系統(數據機和應用)組合到一起時，至少會給其中一個甚至兩個裝置造成資源的低效利用，這些資源可能包括記憶體、MIP、處理器或作業系統支援設備。由於這些應用系統的尺寸大小無法確定，我們認為數據機不應該支援任何應用功能。因此我們可以將晶片數據機的記憶體加以最佳化，使數據機以最低的頻率和電壓運作。此時，應用處理器就可以和數據機分開，而配合現有的工作要求，獨立擴充其速度、電源電壓、記憶體、指令集及RTOS支援。如此一來，我們可以快速更新產品，包括改變Symbian、Microsoft或Linux間的RTOS，以適應不同的市場需求。此外，將數據機中的裝置管理功能移出後，不論是變更周邊設備(BT、USB、IRDA等)，或提高相機/顯示器的資料速率，既不會顯著影響數據機的核可資格，也不需要整合與重新驗證數據機。
解決可擴展性問題的一個方案就是，建立一個整合微控制器和DSP的晶片，以便增添任何認為必要的硬體周邊。擁有先進的DSP處理器，且希望與對手拉開最大差距的業者，偏愛這種方式。這種方法的缺點在於產品的可維護性─每一個新的應用都要求重新驗證數據機和系統功能，此外，數據機和應用產業的發展藍圖之間沒有緊密的關係。程式碼對時間的要求越高，則越難共享處理器和記憶體的匯流排；晶片越接近其最大容量，則維護軟體越困難，故障源也越難發現。透過型號認證來測試行動數據機的功能，以及對各家系統業者網路的測試是一項艱鉅的任務。縮減這種成本的關鍵是，數據機保有數據機的功能，應用裝置保有應用功能，兩者明確區隔。
就同等數量而言，單一裝置可能會比分開生產數據機和應用裝置更便宜，特別是外部記憶體系統可在不損失效能和功能前提下，讓數據機和應用共同分享時，成本顯得更低。根據市場預測的數量和應用需求成長狀況，這種單一裝置(如針對GSM/GPRS/EDGE系統裝置)的存在是合理的。
腳位數
將數據機添加到應用裝置中會對腳位數有兩方面的影響。首先是會增加數據機的特殊控制介面，例如射頻、SIM、音訊、輔助管理等，第二是可能會增加第二個記憶體子系統。假設是一個數位射頻介面和一個共用記憶體架構，那麼額外腳位的最小數量是20。
如果您採用單一數據機與應用硬體的方式並組合在同一晶片上，這時最大的挑戰就是如何獲得正確的記憶體架構。儘管單一設備上的許多腳位可以共用，但如果您是保留兩個裝置上的外部記憶體匯流排，那麼組合設備上的腳位數將會很高。
如果只使用一個外部記憶體，則組合方案的可維護性就會降低，但透過適當的仲裁和快取記憶體架構，可以解決這個問題。大量的解決方案可以進行以下組合：
‧使用叢發傳送(burst)模式的FLASH來增加有效的記憶體頻寬。
‧在高效能系統中，便可充分利用內部/外部SDRAM/DRAM/SRAM的程式碼。如果系統需要大量的SRAM(如在使用複雜的作業系統時)，則可以接受一些隱含的成本。
‧當數據機功能包括已知大小的成熟軟體時，則至少「對時間要求極高」的元件可以放在晶片RAM，或甚至ROM上，讓數據機擁有專屬的存取權。
‧使用「單一封裝系統」(SIP)技術，將數據機或應用裝置緊密組合到區域記憶體(local memory)，並配備一個支援大量儲存的外部記憶體匯流排。
想要達成晶片數據機記憶體、外部記憶體頻寬要求和記憶體階層設計三者之間的最佳平衡，需具備良好的系統級知識。
應用裝置或許不是系統的主要部分，但它需要在數據機裡收送資料以提供收發功能，並控制其他資訊如系統狀態(電源控制、網路可用性等)、數據機的服務請求及相關回應等。多種實體介面可供不同需求使用，但最好辦法是採一種共用記憶體，這種記憶體不必為雙埠，但必須具有仲裁功能，並帶有一些控制線路來產生中斷和傳輸狀態資訊。
在架構的設計上，該軟體需要詳細定義各層並區分各功能，以便劃分應用處理器和數據機之間的裝置管理、電源管理、音訊、數據機和應用軟體功能(圖2)。
GSM音訊處理鏈有詳細的說明和嚴格的時間要求。不過，行動裝置必須能夠支援新的編解碼器(如MP3和AAC)，且這些編解碼器能立體聲輸出，並支援多種bit速率和資料格式。有些服務如Vodafone Live!，除要求音唇同步的影像播放功能外，還要求提供串流AMR。
這些要求引發了幾個問題，例如影音系統的功能劃分(數據機和應用處理器各需執行哪些功能)，如何提供資料(及按需要調整速率)，以及數據機或應用軟體控制音訊變換器和訊號鏈時，是否同時仍然可以符合系統的時序限制。音訊系統可以安置在無線電設備、電源管理晶片或應用裝置上，作為獨立的元件或整合到基頻上。應該注意的是，類比裝置和邏輯裝置的擴充方式不同，因此處理音訊的類比元件，應安置在具備相容製程的晶片上。
功率消耗是行動裝置的重要課題，且必須從系統層級來處理，數據機和應用處理器必須維持系統狀態，以便協調電源中斷作業。為達成最佳的電源效率，系統控制器必須利用GSM的閒置周期，並且了解數據機的狀態。在某些情況下，如在空中飛行中或使用記憶體播放MP3，數據機可能完全關閉，因此控制作業可能根據裝置的狀態，在應用裝置和數據機間轉換。
本文說明了行動裝置要求功能更強的應用系統，也需要更高的靈活性及更強的處理能力。文中除介紹業界普遍採用的不同方法，如提高數據機的效能，或將數據機整合到應用裝置中，並檢驗了不同選擇所面臨的不同課題。綜合而言，需要考慮的關鍵議題是系統成本、記憶體架構和開發周期。我們預期將會有越來越多的行動裝置以極具競爭力的價位來提供多功能電話的性能，為了達成高成本效益的目標，根據以上的討論，數據機與應用裝置的功能必須明確劃分，但可以整合在同一個實體裝置上。透過這種方式，終端設備製造商可以大幅縮短開發、整合及驗證的時間，不但能以更快的速度滿足市場需求，也更容易開發出衍生產品。