双核架构平台在手机中的应用

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    目前手机市场正在向两个趋势发展：一个是功能相对固定，但以价格为主要优势的低端手机；另一个是集成的功能越来越多的高端多媒体功能手机和智能手机。从对应的平台供应商提供的解决方案看；一方面是以TI和英飞凌，Silicon Laboratories积极推动的单芯片方案,适用于只有简单语音与基本多媒体功能的低端手机。另一方面是杰尔系统(AGERE SYSTEM)，TI和高通推出的双核架构的方案；适用于高级多媒体功能手机和智能手机；适合GSM/GPRS/EDGE/WCDMA/HSDPA等制式；且具有良好的可扩展性和可升级性；方便用户实现产品的差异化等特点，发展前景非常良好。杰尔推出的Vision双核架构平台及其 OptiVerse软件框架的解决方案，独具特色。本文以Vision平台为例，介绍双核手机平台软硬件架构，以及在手机中典型应用和主要优势。
　　
双核平台硬件构架

    当前MP3，数码相机,视频录制与播放以及PDA等功能正广泛集成到手机中；手机正从简单语音器转换为多媒体信息平台。同时，3G/3.5G 等通信迅速发展，提供了更大的带宽传送数据和更多的应用。这些新功能和新应用要求手机提供更多与更强的处理运算能力。传统的单处理器架构通过简单提升CPU的频率和指令执行效率，已经无法满足这种需求。新的解决方法可以采用“基带”+“应用”的双处理器架构；基带处理器由ARM7(或者ARM9)+DSP核组成，应用处理器一般由RISC核或者DSP核组成，甚至采用RISC核+DSP核的组合。现有的方案大多采用基带和应用处理器分别独立的两套系统组合起来的方法，其主要的缺点是元器件多，面积大，成本高，数据交换速率不高等。分段平台供应商(杰尔系统，TI和高通)提出了双核架构这种更有优势的解决方案。尽管几家双核架构方案稍有差别，但其最主要特点都是一样的。1，将所有芯核集成在一个单芯片中，而且IC至少包含两个ARM CPU处理器核心(双核)，其中ARM7(或ARM9)核负责通信协议，ARM9(或ARM11)主要负责多媒体处理，完成用户界面(UI)，应用软件等。2，具有先进时钟管理和电源管理系统，可独立控制各处理器核心的时钟频率和供电，有效地控制系统功耗；3，系统通过并行总线将各处理器核心连接起来，共享内部和外部的MEMORY。外接的MEMORY划分为基带和应用及共享三个分区，MEMROY分区大小可根据应用需要灵活进行。4，整个双核架构平台采用由模拟基带与数字基带组成的双芯片解决方案；模拟基带已集成了电源控制、频率控制、模拟基带处理、音频混合与转换、实时时钟和电源管理等。以AGERE VISION为例，数字基带拥有三个处理器内核——用于执行通信功能的ARM926EJ-S内核、用于执行应用处理的ARM926EJ-S内核，以及用于物理层与音频信号处理的杰尔DSP16Ks内核组成。这三部分可以由RCPC(时钟电源控制单元)控制,独立进行时钟和电源管理，如图1所示。两个ARM926核工作主频都为200MHz；具有各自独立的16K字节的高速指令缓冲存储器、16K字节的数据高速缓冲存储。核内包含有存储器管理单元；核内具有两个共享RAM可用于数据与信息交换—其中16K字节高速SRAM由3个处理器共享；另外的16K字节高速SRAM仅由两个ARM核共享。通过核内的PCU(处理器控制单元)和总线裁决器可以对于内部共享RAM进行读写权分配和数据保护。通过多口裁决器外接的MEMORY同样可被由几个处理器共享，并在AHB上增加16K字节高速SRAM作为数据BUFFER，以提高MEMORY访问速度和系统性能。DSP16Ks DSP核具有良好的功耗性能比，工作主频为200MHz。核内包含有48K字的data SRAM，48K字的指令SRAM和16K字的patch SRAM；Veterbi协处理器等。DSP作为L1处理器和音频处理固件(firmware)，执行协议物理层处理和音频处理等功能。VISION芯片还具有丰富的外围接口，如：专用的液晶控制器和摄像机接口、带有充电功能的集成USB2.0 OTG控制器、MMC/SD卡控制器、DIGRF等接口。平台可简易接入蓝牙、WIFI、GPS等外设。

双核平台软件构架

   仍以VISION平台为例，介绍双核平台软件框架。VISION平台融合了各Optiverse软件框架，这些接口能够显著简化诸如音频与视频等可定制多媒体应用的开发过程。与硬件分区类似，Optiverse 软件采用定义精确的接口使通信与应用功能分离，从而使手持终端制造商可集中精力进行应用开发，完全没必要担心通信软件会出现问题。Optiverse架构可分为AP(应用处理器)和CP(通信处理器)两个子系统，AP主要包括多媒体及其他相关应用模块，嵌入式操作系统(如Symbian、Windows mobile、Linux等)。CP包括协议栈(GPRS ,EDGE , 3G & HSDPA)通信模块，AP、CP通过AMI( Advanced Messaging Interface)进行交互；具体模块如图2所示。 Engine提供协议； (AMI) 用于两个ARM CPU核之间交换信息；Framework 提供一个与各种应用(包括多媒体)的高层接口或者Open OS的接口；系统 Framework负责提供外部硬件或者内部软件模块(如多媒体codecs)等系统功能；应用Framework提供了一个完整功能的应用环境以及客户定制API；应用层用于创建个性化菜单结构以及应用界面；适配层用于支持各种 Open OS的特定需要。

    Optiverse软件架构非常清晰，保证了低耦合、强内聚的基本原则；每个模块都有明确的功能，模块之间功能没有重复。如OSFApp只负责用户交互相关的处理(键盘、触摸笔等)；OSFComm只负责提供协议栈相关的功能；OSF System只负责系统相关功能(驱动、OS接口、功能lib)；应用层只负责纯应用开发。

    Optiverse应用功能模块与协议功能模块的分割，便于在OSFComm和CP结构之上定制第三方应用架构，包括采用Open OS。Agere可以实现对协议栈相关模块的单独升级，而不影响应用模块。

双核架构手机平台典型应用

   在双核架构手机中CP专心处理通信协议，AP负责UI、java虚拟机、嵌入式浏览器、多媒体功能等应用。这可以很好的解决单CPU方案多媒体手机，同时进行通信和娱乐应用时，响应速度慢，及部分应用无法同步进行的问题；比如在进行通话和数据下载的同时进行视频或移动游戏。可以很好提升了用户体验；双核架构在高端多媒体手机应用具有明显优势。

   双核架构平台另一典型应用是智能手机。目前市场上智能手机主要采用分离式双CPU方案；一个基带处理器和一个多媒体功能应用处理器。通常，手机平台供应商提供的基带处理器和通信协议软件，作为MODEM用，实现空中接口，执行相关功能。而应用处理器作为主控制器，具有非常强的处理运算能力；其运行UI和多媒体功能等应用软件及WindowsMobile、Symbian、嵌入式Linux等(OPEN)操作系统。采用分离式双CPU方案，两个处理器需要各自独立的完整的电源管理系统和各自的外接MEMORY；需要各自的软件升级接口。两者之间一般需要多路模拟开关来切换音频通路；AP端一般需要外加音频CODEC。此外，两个处理器之间通信方案在需要支持高速接口时，比较复杂。经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一般传输速率为115k~230kbps，仅适合GPRS；使用时需要考虑不同供应商的应用和基带处理器的接口兼容问题。低速USB 1.1接口在可提供最大为1.5Mbps的传输率(无补偿重复和握手等操作)，可支持Edge实现；此方案要求基带处理器必须具有USB接口，而应用处理器能够支持USB HOST或者USB OTG设备；软件处理相对比较复杂。对于更高速接口如WCDMA、HSPDA(10Mbps)等应用，比如视频会议等流行的视频应用要求两个处理器之间的数据传输速率至少为2Mbps；UART与USB不能满足速率传输要求；需要采用专有ASIC方案或者多端口存储器。ASIC由于高成本和设计局限性，很少被采用。多端口存储器接口存在着IC尺寸较大，增加系统成本和功耗的问题。采用分离式双CPU方案设计的智能手机基本存在元器件多，面积大，成本高，响应速度慢，软件升级麻烦等问题。双核架构平台采用的是共享 Memory (ROM and RAM)；双处理器的效率很高，数据传输速率很高，对大数据传输有很大的优势；很好得解决了处理器之间通信(数据交换)的问题。AP与CP信息的交互通过SHARE RAM有效快速的进行；可以很好地解决UI操作速度慢等问题。电源管理和音频处理等电路集成在一个ABB芯片。整个方案采用高度模块化的系统架构，非常简洁，产品化设计容易灵活，设计出产品的尺寸小，系统成本低。平台供应商很容易进行系统升级；可以保持整个架构不变，通过简单地更换AP处理器(从ARM9换成ARM11，主频从200MHZ提升到450MHZ或者更高)来增强处理运算能力，对于移动设备市场发展的新趋势和新应用具备良好的适应性。对于手机制造商进行新产品设计时，则可以利用最小的设计资源，最大程度重复利用基本设计，针对不同细分市场快速将产品市场化；产品系统稳定性良好。

   目前高端手机正集成越来越多的功能(蓝牙，手持式GPS功能，WLAN，手机电视等)。新功能的需求对于成本，功耗和产品体积提出了更大挑战。超薄、轻巧、功能加强、低成本是手机未来发展的趋势。双核架构方案从根本上解决很好满足高端手机发展的需要，表现出良好的发展前景和巨大的潜力。

结语

    双核架构手机平台显著优势，吸引许多手机平台供应商参与为实施双核(多核)解决方案而不断努力。杰尔，TI和高通都已经提出各自的解决方案。AGERE VISION平台已经有AMOI和SAMSUNG等厂家所采用；AMOI的6款智能与功能手机已经上市；SAMSUNG也将在近期推出产品。TI双核平台也已经被广泛采用并成功产品化。高通的MSM7K双核平台面对HSDPA高端智能手机，全球诸多厂家正在此平台进行产品开发；产品将在2007年Q2前后推向市场。双核架构手机平台必将在高端手机占据越来越大的市场份额，并逐渐成为市场的主流。