高阶手机多媒体应用及开放性技术趋势

2008-04-02 13:31:55来源: 我爱研发网

  一台小小的随身手机,功能性却是日新月异。过去,它只是一只单纯通信功能的装置,但和网路及消费性应用相遇后,其定位已逐渐朝向一台个人化的多媒体设备发展。现阶段,资讯管理与照相已经成为颇通用的功能,游戏、铃声、音乐下载与播放的效果也不断在提升中;录影、录音也成了手机当中极具加值性的功能。

  在不同的地区,也有不同的发展:在欧洲,手机被用进行线上付款;在日本,移动娱乐相当普及;而在美国,使用手机GPS定位服务已受到重视,此功能不仅能做交通资讯的辅助之用,也能在紧急时送出个人的求救及追踪信号。那么,下一步呢?

  随着3G、HSDPA或Wi-Fi等更高频宽连结的推出,新闻、运动、广告等视频短片会成为愈来愈重要的服务;在DVB-H、T-DMB、MediaFLO等移动电视技术的推波助澜下,手机上看电视的很快会变成现实;未来,手机也能成为家庭、孩童、老人的安全监看工具。(图一)为下一代高阶手机的功能发展趋势,(图二)则是市场对于各种功能需求的评估调查。

  

  

  

  图一

  

  

  

  图二

  

  高阶手机技术发展议题

  要将一台手持大小的手机变成多功能的迷你型电脑,其内部系统设计的挑战难度可想而知。在处理功能上,除了得选择采用单CPU或双CPU架构,也得确定在信号处理上是采用DSP或软、硬件加速器的作法;为了因应多媒体的影音处理需求,一方面得考虑对广泛影音编码格式的支援,一方面也得规划出最佳化的运作架构。

  无线收发的通信部分,也有其设计上的发展议题。在3GPP蜂巢式系统本身,就有多套新旧标准同时存在,包括GSM / GPRS / EDGE / WCDMA等等,而其他的无线技术也往手机系统中进行整合,例如Wi-Fi、Bluetooth、GPS、DVB-H等。此外,介面支援也是一个问题,今日的移动平台必须具备复杂的介面,如照相、彩色显示、TV输出、IrDA、Bluetooth、USB、音频和多种型式的记忆卡,以及传统式键盘和复杂的无线数据机,而且,新的需求还不断产生,请参考(图三)。当然,尺寸与耗电性永远是手机设计的基本限制,必须透过制程、封装及系统规划的不断进步来支持应用性的无止境增加。

  一般来说,一台高阶手机为了达成多媒体应用的需要,其关键IP和元件可能包括:CMOS影像感测器;音频/视频/图像功能;Flash和EEPROM记忆体;嵌入式DRAM记忆体;智能卡和加密功能;蓝芽功能;MEMS感应器和加速器;电源管理;生物验证(biometric verification);语音辨识;手机数据机(RF+基频);整合性的被动元件;保护装置;GPS晶片组等等。

  

  

  

  图三 各种多媒体应用介面的交换中心(以Nomadik为例)

  

  从上述功能的发展中,很显然地,今日的手机正朝向多媒体(multimedia)、多系统(multi-system)和多模(multi-mode)的「三多」的方向发展。就系统开发来说,多系统与多模的挑战主要在于射频(RF)与基频(baseband, BB),尤其是射频的部分,而多媒体的议题则在于如何针对基频、应用处理器、加速器和高阶作业系统(HLOS)等区块提出最恰当的整合处理架构。

  

  开放性平台发展趋势

  对于手机市场来说,虽然功能上不断推陈出新,但并不表示手机业者就要照单全收。开发者往往会有其偏好的技术及功能选择,以推出差异化的产品,这时,他们已不愿再向过去的手机业者一般,受限于特定、封闭、专属性(proprietary)的软、硬件规格。

  开放性的平台架构已是市场的大势所趋。不论是CPU、作业系统或周边,今日的高阶手机平台应该都要能提供弹性、易建置的开放性环境。以设备心脏的CPU来说,一个移动平台要能支援提供授权以及广泛被移动设备使用的第三方(3rd-party)处理器,如ARM核心。作业系统方面,在中、低阶的语音手机(Voice phone)或功能手机(feature phone)之中,虽仍有采用封闭性软件的情况,但对于高阶的智能型手机来说,搭配高阶作业系统(High level OS, HLOS)是必然的选择,这样才能满足复杂多工的运算控制需求,目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等,移动平台也得广泛支援。

  在周边介面上,又可包括内部的匯流排(bus)和外部插槽,也就是内部各晶片单元的沟通,以及对外通信或应用功能延伸的各种介面。介面的选择也是手机差异化的一项关键,虽然晶片组厂商会尽量去支援各种可能的传输介面,但埠脚毕竟有限,仍然得有所选择;此外,有些介面本身即存在排他性,难以同时并存;或是建置成本过高,也会让厂商却步不前。举例来说,今日手机已朝立体声的音频功能发展,但在介面技术上存在CD用的I2S介面,或PC中音乐用的AC’97介面两种介面,两者各有优缺点,但又必须有所抉择。在其他的功能上也常可见到此一情况。

  

  推动标准化API

  为了降低应用层与底层技术之间的整合门槛,API(application-programming interface)是重要的决定因素。不过,如果手机各元件厂商的API各采自行的专属系统,上述的开放性环境就难以形成。而为了让产业间的整合更顺畅,API必须依循开放性的原则来开发才行。

  因此,标准化的API是业界共同的需要,这得靠标准化的组织团体来进行制定与推动。目前业界相当重要的行动产业标准组织,包括3G、MIPI(Mobile Industry Processor Interface)、TCG(Trusted Computing Group)、OMA(Open Mobile Alliance)、OMTP(Open Mobile Terminal Platform)、OpenMAX、Global Platform等。

  以MIPI来说,其目标就在于推动应用处理器介面的一致性、倡导移动设备间的再利用性和相容性,进而简化硬件和软件的设计和建置。其介面标准化的工作将会让行动设备制造商提升开发的效率,为他们带来在LCD、camera和通讯IC等周边设备的最大的应用软件可携性和更广的可用性。这个非营利的组织是在2003年由ST、ARM、Nokia和TI共同创立的,会员中包括手机制造商、半导体公司、硬件周边制造商、作业系统厂商、中介软件厂商和软件应用程式开发商。

  ■高阶语言的开发环境

  在PC的世界中,采用高阶语言已是很平常的事情,但在嵌入式的环境中,由于客制性高,采用高阶语言有其发展上的难度。不过,手机兼具嵌入式与大众市场的特性,因此极需打造出一个便利的系统建置环境,将底层的实体层技术加以抽象化(abstraction)可以达到此目标。

  在上下层分离的沟通架构下,应用软件能够独立于硬件来做设计,即使是面对不同的平台,只要透过标准化的API就能与底层进行沟通。如此一来,不但产品的开发时程可以大幅缩短,不论软件或硬件,都具备了再利用(reuse)的可用性,也就是可以再用在未来的产品设计上,只要对新的功能做必要的升级设计即可,这对于设计者来说当然是一大利多。

  不过,底层的规划仍有其重要性。毕竟,实际的运算作业还是发生在底层,若能针对特定需要对底层做最佳化的调校,那即时是采用相同的移动开发平台,也可能产生功能性与效能表现上的差异。这时,系统设计者就得懂得透过基础的组合语言编译程式(assembler)的编码,对程式码进行最佳化设计,以达成更佳的效能等级。

  

  案例探讨

  以前市场上移动多媒体应用平台来看,大多符合上述的开放性趋势,不过,在架构性的作法上就各有其特色。以ST的Nomadik为例,其最大的特色在于采用分散式处理架构,也就是将多媒体的运算处理分散到多个可程式化的智能型加速器(smart accelerator),他们各自独立地工作,但同时一起处理特定的视频和音频编码与解码功能。在350MHz的ARM926EJ RISC主处理器核心下,搭配视频智能加速器(Video smart accelerator)的Nomadik可提供30fps的VGA即时编解码效能,也能在进行视频会议时提供达30fps的CIF画质;其音频智能加速器(Audio smart accelerator)则是可采C语言程式化的多媒体VLIW DSP,并支援丰富的音讯library。请参考(图四)。

  

  

  

  图四 移动平台架构(以Nomadik为例)

  

  除了让影音表现能达到最佳化外,分散式处理让这些耗时又耗电的工作不会佔用到CPU的资源,让CPU能专注于控制与程式流程的处理,或让它能进入省电模式来延长电池的使用寿命。Nomadik藉由尽可能避开对高时脉速度的需求来节省能源,但也从各个等级的系统化设计用心得到降低耗电需求的好处。创新的演算法、具能源效率的指令集和在ARM式处理器中的Java加速器,都为编码提供了很高的执行效率;资料压缩和图像缩放能有效地使用晶片上的频宽;此外,积极的电源管理会关掉晶片上非活动的区域,让CPU尽可能的保持在省电模式之下。

  

  结论

  未来的手机将不只是一台手机,以Nokia将上市的N92来说,它不仅是手机,也是相机、收音机,而且还可以是一台电视机。在通信的部份,N92是支双频手机,既支援GSM 900/1800/1900,也支援WCDMA的3G网路,不仅如此,Wi-Fi区域网路也可以通,更支援双向的视频电话;照相方面,支援200万画素,相机功能包括内建闪光灯、数位变焦,以及景物、肖像、夜间和运动等设定模式,与白平衡等功能;最炫的是,它同时也支援 DVB-H 数位广播电视,能透过 2.8 吋的 QVGA TFT LCD 来收看即时视频节目;另外,在音频部分,除了支援 MP3、AAC,也能收听FM节目。

  未来,将有更多这样的手机出现,而系统及晶片业者仍得朝高整合性的高阶手机戮力以赴。不论是通信上对天线、射频、基频的多频、多模整合规划,或是在应用上要满足更高的处理效能、更庞大的记忆体、更清晰的显示品质,但又不能缩短电池的寿命。高阶手机的挑战仍多,未来我们将分别对一些重要的议题进行剖析探讨。(作者为意法半导体亚太区通讯及移动多媒体事业部技术行销工程师)

 

关键字:手机多媒体  高阶  QVGA  介面  手机平台  手机设计  多媒体应用  手机业者  应用

编辑:王婷婷 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/0402/article_132.html
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