West Bridge SLIM架構(gòu)多媒體手機(jī)設(shè)計(jì) - 全文

　　今天在市場(chǎng)熱銷(xiāo)的手機(jī)不能只靠外觀、電池壽命和可靠度;其適應(yīng)新使用模式的能力，以及能否符合業(yè)界效能標(biāo)準(zhǔn)也是非常重要的。手機(jī)與PDA、PMP、數(shù)字相機(jī)等其它消費(fèi)性電子裝置整合速度非?？焖?。Sony Ericsson Walkman W950i與Nokia N系列等新手機(jī)就是很好的例子。為了要讓新手機(jī)在市場(chǎng)上獲得銷(xiāo)售佳績(jī)，系統(tǒng)工程師正試圖在手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)中加入愈來(lái)愈多的功能。然而，這些多方“整合”的手機(jī)最大的敗筆，往往是無(wú)法提供良好的使用者經(jīng)驗(yàn)。

　　高度整合反倒是手機(jī)失敗的敗筆?

　　高度整合化手機(jī)失敗的因素可能有許多，但最可能的原因多半是不好用，使得一些手機(jī)對(duì)消費(fèi)者的吸引力不如預(yù)期。對(duì)于某些特定的產(chǎn)品而言，使用性不單是指操作要簡(jiǎn)易，同時(shí)也要看其中各項(xiàng)功能的效能表現(xiàn)，尤其是與市面上其它功能相近的產(chǎn)品比較時(shí)。整合后的功能質(zhì)量常常會(huì)被忽略。當(dāng)今市場(chǎng)上充斥著各種內(nèi)建低質(zhì)量數(shù)字相機(jī)的手機(jī)就是最好的例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須更深入思考各項(xiàng)功能，不要只想著系統(tǒng)規(guī)格，而是要花更多心思在每項(xiàng)整合性功能所能帶來(lái)的良好消費(fèi)者使用經(jīng)驗(yàn)。

　　在消費(fèi)性電子市場(chǎng)上，支持影音播放與數(shù)字相機(jī)的多媒體手機(jī)，已經(jīng)很快的從所謂的高階產(chǎn)品變成中階產(chǎn)品，有些甚至已經(jīng)算是低階的手機(jī)產(chǎn)品。多媒體手機(jī)在閃存的價(jià)格持續(xù)迅速滑落的同時(shí)，會(huì)逐漸演變成支持更大容量的儲(chǔ)存裝置。具備大容量?jī)?chǔ)存功能的手機(jī)能容納更高速率的媒體內(nèi)容，以及更大畫(huà)素的相機(jī)模塊。在現(xiàn)今市場(chǎng)中，1GB的內(nèi)存容量對(duì)于大量?jī)?chǔ)存密度而言，已經(jīng)可視為一個(gè)“增量單位”，而多媒體手機(jī)也希望能支持1GB以上的儲(chǔ)存容量。這項(xiàng)趨勢(shì)可從最近定案的SD2.0規(guī)格中可看出，其中規(guī)范的SD卡最大容量為32GB。除了SD/MMC卡以外，其它常見(jiàn)的大容量?jī)?chǔ)存裝置則多半是內(nèi)建的NAND或硬盤(pán)機(jī)。

　　對(duì)于多媒體手機(jī)最重要的就是支持快速外部聯(lián)機(jī)能力，以傳輸音樂(lè)、影片與相片等大量的媒體內(nèi)容。而最常見(jiàn)的聯(lián)機(jī)方式就是利用USB與PC連結(jié)。盡管現(xiàn)今市面上多數(shù)的手機(jī)都只能支持USB1.1(每秒速率為12Mbps的全速USB模式)，但對(duì)于更快的USB2.0聯(lián)機(jī)(每秒速率為480Mbps的高速USB模式)的需求也快速增加中。表1所列為兩種規(guī)格的概要，以及一些傳輸時(shí)間的例子，其時(shí)間計(jì)算是以原始USB訊號(hào)速率計(jì)算(忽略軟件負(fù)擔(dān))。在圖1中則是包含目前基頻處理器的一般手機(jī)架構(gòu)。請(qǐng)注意它只有整合FSUSB(全速USB)的SIE，因此還需要外加一組全速USB的收發(fā)器。

　　由表1可以看出全速及高速USB的原始信號(hào)傳輸率，而且就如數(shù)據(jù)所示，高速USB比全速USB要快上40倍。然而這些數(shù)據(jù)都沒(méi)有考慮任何軟件負(fù)擔(dān)以及硬件上的限制，因此在實(shí)際系統(tǒng)中真正持續(xù)有效的傳輸速率(sustained throughput)都會(huì)低很多。

　　手機(jī)建置高速USB的瓶頸

　　乍看之下，有人可能會(huì)認(rèn)為若采用高速USB，頻寬就自動(dòng)會(huì)增加，如此就可有效地解決大容量?jī)?chǔ)存裝置與計(jì)算機(jī)之間傳輸速率緩慢的問(wèn)題。然而問(wèn)題并不像看起來(lái)這么容易。因?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)決定了軟硬件的負(fù)擔(dān)以及限制，所以實(shí)際的數(shù)據(jù)有效傳輸率與系統(tǒng)架構(gòu)在USB連結(jié)中是息息相關(guān)。下圖2為高速USB的建置范例。

　　由于基頻處理器只支持全速USB模式，因此需要外加一個(gè)高速USB控制器以支持高速USB模式。通常高速USB控制器會(huì)連至處理器的外部?jī)?nèi)存接口上，并與NAND及SDRAM等其它記憶裝置共享內(nèi)存接口。在此架構(gòu)中，圖2的紅色箭頭簡(jiǎn)單代表了從計(jì)算機(jī)經(jīng)由高速USB連至大容量?jī)?chǔ)存裝置的數(shù)據(jù)流。相較于圖2，圖3則是一個(gè)更實(shí)際的版本。

　　在圖3中，數(shù)據(jù)流就不像圖2的那么直接簡(jiǎn)單。從計(jì)算機(jī)來(lái)的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)高速USB管道，并且暫存在基頻處理器的SDRAM緩沖區(qū)內(nèi)。接著處理器會(huì)把緩沖區(qū)中的資料讀出，并且寫(xiě)到大量?jī)?chǔ)存裝置中—即圖中的NAND閃存裝置。這一系列的中間傳輸過(guò)程不但讓系統(tǒng)無(wú)法完全發(fā)揮高速USB的功能，而且還可能因?yàn)檐浖唇?jīng)過(guò)仔細(xì)最佳化，而大幅降低整體系統(tǒng)效能。在某些設(shè)計(jì)中，過(guò)于簡(jiǎn)陋的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)嚴(yán)重癱瘓整個(gè)系統(tǒng)效能。因此，采用此一架構(gòu)往往無(wú)法達(dá)到高速USB原先設(shè)計(jì)上所能提供的最佳使用者經(jīng)驗(yàn)。

　　此外，若整合的功能越多，就無(wú)可避免地需要應(yīng)用程序多任務(wù)化。對(duì)此，手機(jī)架構(gòu)所需要克服的一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是要能夠在設(shè)計(jì)架構(gòu)上具備相當(dāng)?shù)膹椥?，以容納新的使用模式。例如隨著3G+無(wú)線技術(shù)的演進(jìn)，無(wú)線接口頻寬也呈指數(shù)型增加，讓使用者可以把3G+手機(jī)當(dāng)成筆記型計(jì)算機(jī)的調(diào)制解調(diào)器，提供高速因特網(wǎng)聯(lián)機(jī)功能。這對(duì)終端用戶而言特別有用，讓他們隨時(shí)隨地能快速存取因特網(wǎng)。

　　然而，這類(lèi)的新使用模式唯有有效支持多任務(wù)作業(yè)才有用。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用者拿手機(jī)當(dāng)成隨身碟等大容量?jī)?chǔ)存裝置使用時(shí)，或正在下載媒體內(nèi)容，它必須要維持原有接聽(tīng)/撥打電話及上網(wǎng)的功能，否則使用起來(lái)就會(huì)相當(dāng)不方便。以圖3中的手機(jī)架構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)USB在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，基頻處理器就會(huì)忙于移動(dòng)數(shù)據(jù)，而沒(méi)有太多的余力去有效地處理一些像是撥打電話等核心工作。因此，手機(jī)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在要面對(duì)改良既有手機(jī)架構(gòu)的挑戰(zhàn)，以因應(yīng)下一世代的使用模式需求。

　　像PC南北橋一樣的West Bridge概念

　　Cypress在2006年12月發(fā)表了革命性的West Bridge概念。就像PC世界中的南橋、北橋一樣，West Bridge系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是為了將嵌入式系統(tǒng)的主要處理器與外部周邊連結(jié)。而最早推出的第一款組件為West Bridge Antioch的大容量?jī)?chǔ)存周邊控制器，適用于手機(jī)市場(chǎng)。由于此款組件設(shè)計(jì)是針對(duì)移動(dòng)型應(yīng)用裝置，因此不僅尺寸小，耗電量也低。West Bridge Antioch的架構(gòu)區(qū)塊如圖4所示。

　　West Bridge Antioch包含三個(gè)連接埠：一個(gè)處理器連接埠“P”、一個(gè)高速USB連接埠“U”、以及一個(gè)大容量?jī)?chǔ)存裝置連接端口“S”?！癙”端口提供嵌入式處理器的連結(jié)功能，并支持硬件DMA的存取。在手機(jī)設(shè)計(jì)中，“P”埠一般會(huì)連接到基頻處理器的標(biāo)準(zhǔn)外部?jī)?nèi)存接口上?！癠”端口提供USB2.0高速USB連結(jié)功能，而“S”端口則支持各種大容量?jī)?chǔ)存裝置。在Antioch中，“S”端口支持8位/16位NAND、SD/miniSD/microSD/T-Flash、MMC/MMC+、以及新的硬盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)CE-ATA。Antioch亦能同時(shí)支持一個(gè)8位NAND以及一個(gè)SD/MMC/CE-ATA裝置，或是單一個(gè)16位NAND。

　　圖4中紅色箭頭所標(biāo)示的是在這三個(gè)連接端口中可能的數(shù)據(jù)路徑，其中所采用的技術(shù)是West Bridge Antioch創(chuàng)新的Simultaneous Link to Independent Multi-Media (SLIMTM)架構(gòu)。箭頭“1”，也就是“P”埠與“U”端口之間的路徑，是基頻處理器透過(guò)高速USB與外界連結(jié)的路徑。此數(shù)據(jù)路徑即可用于先前提過(guò)的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器等新的使用模式。箭頭“2”，也就是“P”埠與“S”端口之間的路徑，則允許基頻處理器直接存取大容量?jī)?chǔ)存裝置，就像是大量?jī)?chǔ)存裝置直接連到處理器一樣。箭頭“3”，也就是“U”埠與“S”端口之間的路徑，讓PC與手機(jī)上的大容量?jī)?chǔ)存裝置之間得以上傳或下載數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)路徑一般是用來(lái)傳輸媒體檔案，例如從PC下載MP3/WMA/Video到手機(jī)上，或是將手機(jī)上的照片傳到PC上。相對(duì)于圖3中的手機(jī)架構(gòu)來(lái)看，此處的大容量?jī)?chǔ)存裝置連結(jié)到West Bridge Antioch，而不是基頻處理器。因?yàn)樘幚砥鞑辉傥挥赑C與大容量?jī)?chǔ)存裝置之間的路徑上，因此基頻處理器可以完全不用介入數(shù)據(jù)傳輸作業(yè)。如此一來(lái)，基頻處理器就有更多的頻寬資源來(lái)處理更重要的工作。圖5所示即為此一新架構(gòu)，其中要注意的是，PC與大容量?jī)?chǔ)存裝置之間的路徑跟圖2與圖3中的路徑是不一樣的。

　　最終，從PC到大容量?jī)?chǔ)存裝置的直接路徑的傳輸速率可有效的大幅提升。Cypress也量測(cè)了市面上幾種不同移動(dòng)裝置的USB有效傳輸速率。量測(cè)是在受到控制的環(huán)境下完成，結(jié)果如表2所示。這些裝置名稱則基于機(jī)密保護(hù)而不予以公開(kāi)。

　　在下面表2中可以發(fā)現(xiàn)，直接路徑大幅提升了PC與大容量?jī)?chǔ)存裝置之間的有效傳輸速率。對(duì)于講究效能的系統(tǒng)而言，這也是West Bridge Antioch會(huì)如此受歡迎的原因。

　　SLIMTM架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

　　更重要的是，SLIMTM架構(gòu)允許這三條路徑可同時(shí)啟用，也就是說(shuō)采用West Bridge Antioch作為大容量?jī)?chǔ)存外圍控制器時(shí)，手機(jī)設(shè)計(jì)便可具備多任務(wù)能力。一般而言處理器從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)大約需要兩年的時(shí)間，這也表示處理器常常不能支持市面上最新的大容量?jī)?chǔ)存裝置，因?yàn)閮?chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)的變化速度要比處理器設(shè)計(jì)周期快得多。當(dāng)市面上多數(shù)的處理器無(wú)法支持某些業(yè)界最新的大容量?jī)?chǔ)存裝置時(shí)，West Bridge的裝置系列產(chǎn)品就能用來(lái)做為兩者之間的完美橋梁。例如Antioch兼容于SD2.0的規(guī)范，支持最大容量可達(dá)32GB的SD卡以及專(zhuān)為消費(fèi)性市場(chǎng)設(shè)計(jì)的CE-ATA規(guī)格小型硬盤(pán)。

　　有了West Bridge Antioch，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師就不再需要受限于效能與彈性之間的取舍。新的SLIMTM架構(gòu)提供的不只是大容量?jī)?chǔ)存裝置與PC間的直接路徑所帶來(lái)的最佳高速USB使用體驗(yàn)，而且還提供了多任務(wù)能力，可同時(shí)支持多種使用模式，并維持一致的有效傳輸率。簡(jiǎn)言之，無(wú)論在今日或明日的多媒體手機(jī)設(shè)計(jì)中，West Bridge Antioch都是大容量?jī)?chǔ)存周邊最理想的連結(jié)解決方案。