装置处理器基频West Bridge SLIM架构多媒体手机设计

West Bridge SLIM架构多媒体手机设计

时间:2011年12月01日
今天在市场热销的手机不能只靠外观、电池寿命和可靠度;其适应新使用模式的能力,以及能否符合业界效能标准也是非常重要的。手机与PDA、PMP、数字相机等其它消费性电子装置整合速 测试技术信号新电子技术推动测试技术不断前行应用程序套件兼容性MIPS推出全新应用程序开发计划华硕面板明年新款Eee PC面板 虎猫分食解决方案功耗套件爱特梅尔推出IEEE802.11b+g Wi-Fi解决方案芯片虎年运营商恩智浦助力深圳轨道交通清分(票务)系统项目建设芯片全球行业CMIC:我国电子元件有望进入稳定增长期速率器件模式德州仪器推出具有串行LVDS接口的16位2MSPS SAR ADC陀螺仪传感器速率ADI第四代高性能低功耗 MEMS 陀螺仪支持恶劣工业环境的应用身份证德国芯片德国新式国民身份证采用恩智浦芯片提升安全性能

今天在市场热销的手机不能只靠外观、电池寿命和可靠度;其适应新使用模式的能力,以及能否符合业界效能标准也是非常重要的。手机与PDA、PMP、数字相机等其它消费性电子装置整合速度非常快速。Sony Ericsson Walkman W950i与Nokia N系列等新手机就是很好的例子。为了要让新手机在市场上获得销售佳绩,系统工程师正试图在手机系统架构中加入愈来愈多的功能。然而,这些多方“整合”的手机最大的败笔,往往是无法提供良好的使用者经验。

  高度整合反倒是手机失败的败笔?

  高度整合化手机失败的因素可能有许多,但最可能的原因多半是不好用,使得一些手机对消费者的吸引力不如预期。对于某些特定的产品而言,使用性不单是指操作要简易,同时也要看其中各项功能的效能表现,尤其是与市面上其它功能相近的产品比较时。整合后的功能质量常常会被忽略。当今市场上充斥着各种内建低质量数字相机的手机就是最好的例子。系统设计人员必须更深入思考各项功能,不要只想着系统规格,而是要花更多心思在每项整合性功能所能带来的良好消费者使用经验。

  在消费性电子市场上,支持影音播放与数字相机的多媒体手机,已经很快的从所谓的高阶产品变成中阶产品,有些甚至已经算是低阶的手机产品。多媒体手机在闪存的价格持续迅速滑落的同时,会逐渐演变成支持更大容量的储存装置。具备大容量储存功能的手机能容纳更高速率的媒体内容,以及更大画素的相机模块。在现今市场中,1GB的内存容量对于大量储存密度而言,已经可视为一个“增量单位”,而多媒体手机也希望能支持1GB以上的储存容量。这项趋势可从最近定案的SD2.0规格中可看出,其中规范的SD卡最大容量为32GB。除了SD/MMC卡以外,其它常见的大容量储存装置则多半是内建的NAND或硬盘机。

  对于多媒体手机最重要的就是支持快速外部联机能力,以传输音乐、影片与相片等大量的媒体内容。而最常见的联机方式就是利用USB与PC连结。尽管现今市面上多数的手机都只能支持USB1.1(每秒速率为12Mbps的全速USB模式),但对于更快的USB2.0联机(每秒速率为480Mbps的高速USB模式)的需求也快速增加中。表1所列为两种规格的概要,以及一些传输时间的例子,其时间计算是以原始USB讯号速率计算(忽略软件负担)。在图1中则是包含目前基频处理器的一般手机架构。请注意它只有整合FSUSB(全速USB)的SIE,因此还需要外加一组全速USB的收发器。

  由表1可以看出全速及高速USB的原始信号传输率,而且就如数据所示,高速USB比全速USB要快上40倍。然而这些数据都没有考虑任何软件负担以及硬件上的限制,因此在实际系统中真正持续有效的传输速率(sustained throughput)都会低很多。

  手机建置高速USB的瓶颈

  乍看之下,有人可能会认为若采用高速USB,频宽就自动会增加,如此就可有效地解决大容量储存装置与计算机之间传输速率缓慢的问题。然而问题并不像看起来这么容易。因为系统架构决定了软硬件的负担以及限制,所以实际的数据有效传输率与系统架构在USB连结中是息息相关。下图2为高速USB的建置范例。

  由于基频处理器只支持全速USB模式,因此需要外加一个高速USB控制器以支持高速USB模式。通常高速USB控制器会连至处理器的外部内存接口上,并与NAND及SDRAM等其它记忆装置共享内存接口。在此架构中,图2的红色箭头简单代表了从计算机经由高速USB连至大容量储存装置的数据流。相较于图2,图3则是一个更实际的版本。

  在图3中,数据流就不像图2的那么直接简单。从计算机来的数据首先经过高速USB管道,并且暂存在基频处理器的SDRAM缓冲区内。接着处理器会把缓冲区中的资料读出,并且写到大量储存装置中—即图中的NAND闪存装置。这一系列的中间传输过程不但让系统无法完全发挥高速USB的功能,而且还可能因为软件未经过仔细最佳化,而大幅降低整体系统效能。在某些设计中,过于简陋的软件架构设计会严重瘫痪整个系统效能。因此,采用此一架构往往无法达到高速USB原先设计上所能提供的最佳使用者经验。

  此外,若整合的功能越多,就无可避免地需要应用程序多任务化。对此,手机架构所需要克服的一项挑战就是要能够在设计架构上具备相当的弹性,以容纳新的使用模式。例如随着3G+无线技术的演进,无线接口频宽也呈指数型增加,让使用者可以把3G+手机当成笔记型计算机的调制解调器,提供高速因特网联机功能。这对终端用户而言特别有用,让他们随时随地能快速存取因特网。

  然而,这类的新使用模式唯有有效支持多任务作业才有用。举例来说,当使用者拿手机当成随身碟等大容量储存装置使用时,或正在下载媒体内容,它必须要维持原有接听/拨打电话及上网的功能,否则使用起来就会相当不方便。以图3中的手机架构来说,当USB在传送数据时,基频处理器就会忙于移动数据,而没有太多的余力去有效地处理一些像是拨打电话等核心工作。因此,手机设计人员现在要面对改良既有手机架构的挑战,以因应下一世代的使用模式需求。

像PC南北桥一样的West Bridge概念

  Cypress在2006年12月发表了革命性的West Bridge概念。就像PC世界中的南桥、北桥一样,West Bridge系列产品的设计主要是为了将嵌入式系统的主要处理器与外部周边连结。而最早推出的第一款组件为West Bridge Antioch的大容量储存周边控制器,适用于手机市场。由于此款组件设计是针对移动型应用装置,因此不仅尺寸小,耗电量也低。West Bridge Antioch的架构区块如图4所示。

  West Bridge Antioch包含三个连接埠:一个处理器连接埠“P”、一个高速USB连接埠“U”、以及一个大容量储存装置连接端口“S”。“P”端口提供嵌入式处理器的连结功能,并支持硬件DMA的存取。在手机设计中,“P”埠一般会连接到基频处理器的标准外部内存接口上。“U”端口提供USB2.0高速USB连结功能,而“S”端口则支持各种大容量储存装置。在Antioch中,“S”端口支持8位/16位NAND、SD/miniSD/microSD/T-Flash、MMC/MMC+、以及新的硬盘标准CE-ATA。Antioch亦能同时支持一个8位NAND以及一个SD/MMC/CE-ATA装置,或是单一个16位NAND。

  图4中红色箭头所标示的是在这三个连接端口中可能的数据路径,其中所采用的技术是West Bridge Antioch创新的Simultaneous Link to Independent Multi-Media (SLIMTM)架构。箭头“1”,也就是“P”埠与“U”端口之间的路径,是基频处理器透过高速USB与外界连结的路径。此数据路径即可用于先前提过的无线调制解调器等新的使用模式。箭头“2”,也就是“P”埠与“S”端口之间的路径,则允许基频处理器直接存取大容量储存装置,就像是大量储存装置直接连到处理器一样。箭头“3”,也就是“U”埠与“S”端口之间的路径,让PC与手机上的大容量储存装置之间得以上传或下载数据。此数据路径一般是用来传输媒体档案,例如从PC下载MP3/WMA/Video到手机上,或是将手机上的照片传到PC上。相对于图3中的手机架构来看,此处的大容量储存装置连结到West Bridge Antioch,而不是基频处理器。因为处理器不再位于PC与大容量储存装置之间的路径上,因此基频处理器可以完全不用介入数据传输作业。如此一来,基频处理器就有更多的频宽资源来处理更重要的工作。图5所示即为此一新架构,其中要注意的是,PC与大容量储存装置之间的路径跟图2与图3中的路径是不一样的。

  最终,从PC到大容量储存装置的直接路径的传输速率可有效的大幅提升。Cypress也量测了市面上几种不同移动装置的USB有效传输速率。量测是在受到控制的环境下完成,结果如表2所示。这些装置名称则基于机密保护而不予以公开。

  在下面表2中可以发现,直接路径大幅提升了PC与大容量储存装置之间的有效传输速率。对于讲究效能的系统而言,这也是West Bridge Antioch会如此受欢迎的原因。

  SLIMTM架构的优点

  更重要的是,SLIMTM架构允许这三条路径可同时启用,也就是说采用West Bridge Antioch作为大容量储存外围控制器时,手机设计便可具备多任务能力。一般而言处理器从设计到量产大约需要两年的时间,这也表示处理器常常不能支持市面上最新的大容量储存装置,因为储存标准的变化速度要比处理器设计周期快得多。当市面上多数的处理器无法支持某些业界最新的大容量储存装置时,West Bridge的装置系列产品就能用来做为两者之间的完美桥梁。例如Antioch兼容于SD2.0的规范,支持最大容量可达32GB的SD卡以及专为消费性市场设计的CE-ATA规格小型硬盘。

  有了West Bridge Antioch,手机设计工程师就不再需要受限于效能与弹性之间的取舍。新的SLIMTM架构提供的不只是大容量储存装置与PC间的直接路径所带来的最佳高速USB使用体验,而且还提供了多任务能力,可同时支持多种使用模式,并维持一致的有效传输率。简言之,无论在今日或明日的多媒体手机设计中,West Bridge Antioch都是大容量储存周边最理想的连结解决方案。

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