ot;display: block;">一款手機的設(shè)計成功靠的絕不僅僅是外觀、待機時間和可靠性,好的設(shè)計架構(gòu)也必須要能兼容新的應(yīng)用模型,與此同時,還要接受業(yè)界設(shè)定的標桿,除非能超過它。手機以及一些其他電子設(shè)備如掌上電腦、便攜式多媒體播放器(PMP)、數(shù)碼相機的融合,正如我們所見的那樣迅猛發(fā)展,譬如近期推出的索愛W950i隨身聽和諾基亞N系列手機。系統(tǒng)設(shè)計師們必須在手機中加入更多的功能來提高成功的機會。
但是,許多這種“融合”的手機,常常難以提供良好的用戶體驗。高度集成的手機的失敗源于許多不同因素,但是可用性差通常是它們無法吸引其應(yīng)有的眾多用戶的最可能的原因。可用性并不只是指某種產(chǎn)品的易于使用性,也指其每種功能與市場上其他含這種功能的產(chǎn)品的性能比較。
集成的功能質(zhì)量往往被忽視。舉個例子,你可以在很多手機上發(fā)現(xiàn)低質(zhì)的數(shù)碼相機。系統(tǒng)設(shè)計者需要為每種功能仔細考慮,而不僅是核對系統(tǒng)的功能表上的項目。要讓集成的功能有所值,就必須關(guān)注其應(yīng)帶來的用戶體驗。
在消費電子領(lǐng)域,支持音樂、影像播放及帶有數(shù)碼攝相的手機的分類在迅速變化,從高端變到中端,甚至某些時候是低端。隨時間推移,多媒體手機會繼續(xù)向海量存儲容量發(fā)展,尤其是隨著閃存技術(shù)成本正以驚人的速度下降。更實用的海量存儲使得設(shè)備能支持更高比特率的多媒體內(nèi)容以及更高相素的照像模塊。在當(dāng)今的市場上,1G容量可被視為海量存儲的增量單位,而多媒體手機的容量期望在1GB以上。這種趨勢隨著新近推出的SD2.0規(guī)范而更加明顯,該標準中SD卡的最大容量定為32GB。除了SD/MMC卡,還有其他一些流行的海量存儲設(shè)備,包括NAND和HDD。
有一點對于多媒體手機十分重要,那就是其要能提供一種高速的對外連接來傳輸大量的多媒體資料,例如音樂、影像和圖片。這種連接最普遍的是用USB接口來實現(xiàn)與PC的連接。當(dāng)今市場上絕大多數(shù)手機支持的仍是USB1.1連接(FSUSB,12Mbps),而支持更快的USB2.0連接(HSUSB,480Mbps)將很快成為必需的要求。表一列出了兩種標準的基本比較,以及一些利用USB原始信令速率(不算SW開銷)計算出的傳輸時間的幾個例子。圖一是典型手機基帶處理器的架構(gòu)圖。注意這種架構(gòu)只集成了FSUSB SIE(串行接口引擎),還需要外加一個FSUSB收發(fā)器。
表一中的數(shù)據(jù)反映了FSUSB和HSUSB傳輸?shù)脑夹帕钏俾?它們差出了一個數(shù)量級(HSUSB比FSUSB快40倍)。應(yīng)當(dāng)注意,這些數(shù)據(jù)不包括任何軟件開銷和硬件限制。所以,實際系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)率將大大的降低。
乍看起來,可以認為采用HSUSB就可以自動增加帶寬從而有效解決PC和大容量設(shè)備間的低傳輸速率問題。可事實是,USB的數(shù)據(jù)實際吞吐量還取決于系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)架構(gòu)決定了軟硬件開銷及限制。
考慮采用圖2中的HSUSB。因為基帶處理器只支持FSUSB,所以要用一個外設(shè)HSUSB控制器來支持HSUSB。HSUSB控制器通常與處理器的外部存儲接口相連,這個接口也同樣可為不同的存儲設(shè)備共享,例如NAND和SDRAM。在這種價架構(gòu)下,圖2中的紅箭頭就代表了從PC通過HSUSB到大容量存儲設(shè)備間的數(shù)據(jù)流簡化表示。圖3則是其更貼近實際的表示。
圖1:使用帶有FSUSB的處理器的手機。
圖2:使用外接HSUSB控制器的手機。
圖3:從PC到使用外接HSUSB控制器的海量存儲器的數(shù)據(jù)流。
在圖3中,數(shù)據(jù)流不再像圖2那樣簡單直接的表示。從PC發(fā)出的數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過HSUSB,再經(jīng)緩沖進入基帶處理器上的SDRAM。接下來由處理器讀取SDRAM的數(shù)據(jù)再將其寫入海量存儲設(shè)備,在本例中是一個NAND閃存。但如果沒有對軟件進行仔細的優(yōu)化設(shè)計,這種媒介傳遞的形式不但會阻礙HSUSB的充分利用,也會大大降低整個系統(tǒng)的性能。因此,使用這種架構(gòu)通常無法得到HSUSB本應(yīng)有的最佳用戶體驗。
另外,由于集成了多種功能,就不可避免地需要多任務(wù)處理。手機架構(gòu)設(shè)計師面臨的一個挑戰(zhàn)就是要求所設(shè)計的架構(gòu)具有足夠的靈活度,能夠適應(yīng)新的應(yīng)用模型。例如,隨著3G+無線技術(shù)的演進,無線空中接口帶寬也成指數(shù)增長,人們可以用一個3G+手機作為調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接。這對于那些在旅途中也需要高速網(wǎng)絡(luò)訪問的終端用戶尤為有用。然而,這些新應(yīng)用模型只有在多任務(wù)處理能得到有效支持時才能發(fā)揮作用。例如,當(dāng)用戶正以手機作為存儲設(shè)備(拇指存儲器模式)或者正下載多媒體資料,這時仍需要其保持接打電話及連接網(wǎng)絡(luò)的功能,否則會帶來不便。圖3的手機設(shè)計中,當(dāng)USB進行傳輸時,基帶處理器將忙于傳輸數(shù)據(jù)而常常沒有剩余帶寬來處理其核心任務(wù),如語音通話。所以,手機設(shè)計者不得不調(diào)整當(dāng)前的手機設(shè)計來兼容新一代的應(yīng)用模型。
西橋架構(gòu)
為迎接多任務(wù)處理的挑戰(zhàn),系統(tǒng)設(shè)計師需要新的設(shè)計架構(gòu)選擇,例如西橋,它消除了幾代處理器的處理瓶頸。就像在PC架構(gòu)中引入北橋和南橋一樣,在嵌入式系統(tǒng)中,西橋?qū)⒇撠?zé)主處理器與外設(shè)的連接。圖4為采用西橋的架構(gòu)。
圖4:西橋架構(gòu)方框圖
在這個圖例中,西橋有三個端口:一個處理器“P”端口,一個HSUSB“U”端口及一個海量存儲器“S”端口。其中“P”端口連接嵌入式處理器,同時支持硬件DMA通道。在手機設(shè)計中,“P”端口連接到基帶處理器的標準外部存儲接口；“U”端口提供USB2.0連接,“S”端口支持各種海量存儲技術(shù),例如8位/16位NAND閃存,SD/miniSD/T-F Flash,MMC/MMC+,甚至新的硬盤驅(qū)動(HDD)標準CE-ATA。
圖4中的紅箭頭表示這3個端口中可能的數(shù)據(jù)通路。注意當(dāng)這些箭頭都通過西橋時,為了避免堵塞,它們同時而又彼此獨立地被標出。箭頭“1”,即“P”端口和“U”端口間的通路,通過HSUSB接口實現(xiàn)基帶處理器與外部的連接。這個數(shù)據(jù)通路可實現(xiàn)像前面提到的無線上網(wǎng)這類的新應(yīng)用模型。箭頭“2”,即“P”端口和“S”端口間的通路,將基帶處理器連到海量存儲器,就像二者直接連接一樣。箭頭“3”,即“U”端口與“S”端口之間的通路,支持將PC與海量存儲器中的數(shù)據(jù)上傳和下載到手機上。這個通路尤其適用于傳輸多媒體文件:從PC下載MP3/WMA/Video到手機,或者從手機上傳圖片到PC。與圖3中的手機架構(gòu)相比,海量存儲器現(xiàn)在直接連接到西橋和不是處理器本身。這樣,基帶處理器完全擺脫了數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摀?dān),因為它不再作為PC與海量存儲器間的數(shù)據(jù)通路。這為更多重要的任務(wù)釋放出了處理器的工作帶寬。圖5將解釋這種新的架構(gòu)。注意PC與海量存儲間的數(shù)據(jù)通路與圖2和圖3中的不同。
圖5:采用Antioch西橋時從PC到海量存儲器的直接通路。
總而言之,PC與海量存儲器間的直接通路極大的提高了吞吐效率。塞普拉斯為當(dāng)今市場上不同移動設(shè)備的USB連接吞吐量設(shè)定了標桿。在可控環(huán)境下對該標桿進行了測試試驗,表2中列出了測試結(jié)果。這些設(shè)備的名字因需保密而省略。
如表2所示,PC與海量存儲器間的直接通路極大地提高了吞吐效率。這使得西橋?qū)σ恍┬阅荜P(guān)鍵系統(tǒng)十分有吸引力,因為它能大大提升用戶的HSUSB體驗。
表1:USB的理論傳輸速率和傳輸時間。
表2:手機USB傳輸速率標桿測試結(jié)果。
重點是,這種架構(gòu)允許三條數(shù)據(jù)通路同時開通。這使得任何移動手機設(shè)計都可以應(yīng)用西橋。一款典型的處理器從設(shè)計到大規(guī)模生產(chǎn)需要大約2年的時間,而海量存儲器接口標準的更新遠快于處理器設(shè)計周期,所以市場上的處理器往往很難支持最新的存儲設(shè)備。但通過使用西橋,就能夠完美地連接到現(xiàn)今大多數(shù)處理器都還無法支持的最新海量存儲設(shè)備,例如SD2.0和CE-ATA。
橋架構(gòu)解決了PC中的很多難題。類似地,在移動手機設(shè)計中引入西橋?qū)⒃O(shè)計者從平衡其功能與靈活性中解放出來。西橋并不只通過PC與存儲設(shè)備間的直接通路帶來最佳HSUSB體驗,它還能實現(xiàn)同時支持不同應(yīng)用模型的多任務(wù),并滿足當(dāng)前以及未來的多媒體手機設(shè)計中不斷增長的吞吐率需求。
作者:Danny Tseng
資深應(yīng)用工程師
數(shù)據(jù)通信部
賽普拉斯半導(dǎo)體公司
