設計智慧型手機系統 選擇HLOS與建構合適軟硬體平台

雖有電信業者憂心地指出，目前手機門號的用戶數已開始下降，手機市場的銷售可能也會因此而飽和，不過根據IDC最新的報告指出，2005年第三季的手機銷售量仍持續以二位數成長，其中主要的市場爆發力來自於如Nokia6630、6680等新型多媒體智慧型手機，及具有吸引力功能的低價手機不斷上市，加上3G服務開始大力推動，種種因素皆刺激市場買氣。  

目前手機的樣式繁多，但大致上可分為三大區塊，即語音手機(Voice Phone)、功能手機(Feature Phone)，及智慧型手機。其中語音手機只有基本的語音及簡訊功能；功能手機雖已具有收送數據資料的能力，但編輯處理的功能有限，同時間也只能處理一項工作；智慧型手機則像是一台迷你型電腦，除了具有較強的資料編輯管理能力，更能提供音訊、視訊、遊戲等多媒體應用服務，也能同時處理多項工作。  

隨著3G市場起飛，智慧型手機已從高階的小眾市場，逐漸轉向大眾化領域。根據IDC的報告，WCDMA手機在2004年第三季時只占全部市場的7%，但到了2005年第三季時已成長到12%。由於3G服務強調數據與多媒體應用，最佳的終端設備自然是智慧型手機，一向與全球市場同步的台灣ODM、OEM及品牌廠商，也紛紛將研發的矛頭指向智慧型手機，不願錯過搶占市場的良機。  

不過，比起語音及功能手機來說，智慧型手機的開發難度大幅提升。智慧型手機要求的功能涵蓋三個方面，包括必備的語音、訊息(Messaging)、認證(Authentication)及計費(Billing)等通訊功能；電子郵件、行事曆、資訊管理、Sync，及安全性等資訊處理功能；視訊、照相、遊戲、電視、串流、音樂，及數位版權管理(Digital Right Management, DRM)等多媒體應用功能。  

要達成如此繁重的任務，智慧型手機必須採用高效能的處理架構，並搭配更大容量的記憶體。此外，手機平台也得支援多樣的介面標準，例如照相、彩色顯示、電視輸出、IrDA、藍芽、USB、音訊和多種型式的記憶卡，以及傳統式鍵盤和複雜的無線數據機等，這都對手機軟、硬體系統的規畫造成很大的挑戰。  

HLOS加速功能開發  

對於手機製造商來說，軟體系統已成為開發案中的重頭戲，常見的開發議題包括作業系統、通訊協定、多媒體處理、應用程式介面(Application Programming Interface, API)、驅動程式，及使用者介面等。目前智慧型手機都得採用高階作業系統(High-level Operation System, HLOS)，才能加速系統功能的開發，並滿足多樣化的應用需求。而為了處理多媒體、高階顯示，及資訊處理等功能，記憶體空間不斷增加，從過去1～2M就已足夠，現在至少需要16M，甚至256M才夠。  

高階作業系統雖然較專屬性(Proprietary)作業系統需要更大的空間，但其好處不少。它採用標準API介面，並提供穩定的使用者介面與開發工具，讓開發者能更有效的開發應用程式，大幅縮短開發時間與測試成本。對製造及營運商來說，也更容易將同樣的應用移植到不同的平台之上。  

高階作業系統須支援的介面標準很多，基本的如Unicode、POSIX API和Java等；在連結上的標準包括TCP/IP、POP3、IMAP4、SMTP、SMS、OBEX等；其他新興的標準則包括J2ME、藍芽、MMS、SyncML、IPv6、DVB-H和WCDMA等。  

高階作業系統受到重視的另一個原因，即在於其強調開放性的策略。盡量採用業界標準、公開內部技術和形成產業聯盟等作法，讓各個高階作業系統凝聚自己的大量開發社群用戶，為手機的設計提供豐富的程式內容。這對於手機市場是一大利多，讓營運者能設定自己的差異化經營模式，也讓終端用戶能選擇所需，進而營造活絡的市場氣氛。  

目前市場上的主要手機高階作業系統為Symbian、Windows Mobile和Linux(圖1)。其中Symbian有諾基亞等大廠的支撐，是目前這市場中最大宗的作業系統；微軟的Windows Mobile for Smartphone則被以IT轉型手機的廠商用得較多，因為開發者已熟悉其平台，也有生產配合上的長遠關係；Linux則是新興的作業系統，以開放原始碼而著稱，目前在手機市場的商用版本中，以MontaVista的著力最深。  

由於Windows Mobile強調與桌上型Windows及伺服器Windows的連貫性，讓使用者以熟悉的語法進行開發設計，這也是國內從事智慧型手機的廠商，在高階作業系統的選擇上偏好Windows Mobile的原因。從其最新5.0版本中新增的API，可以看出智慧型手機強調的應用趨勢，包括對多媒體的豐富支援、強化2D/3D的繪圖能力、提升對照相及全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)等硬體元件的支援能力、提供通用DRM程式模式，以及改善通訊處理功能等等。  

設計行動軟體平台  

要探討智慧型手機的設計規畫，就得同時考量軟、硬體系統架構的配置。以目前的設計需求來說，由於通訊軟體協定堆疊不斷增加，多媒體與資訊處理的應用與控制也愈來愈複雜，這都促使智慧型手機系統架構偏向於將應用執行功能從無線數據機模組中分離出來，也就是採用專屬的應用處理單元(Application Processing Unit, APU)與數據機處理單元(Modem Processing Unit, MPU)(圖2)。  

這是一種「獨立於數據機」(Modem-agnostic)的處理架構，一方面讓應用處理器能充分發揮Symbian、Windows Mobile或Linux等高階作業系統的應用能力，另一方面也能確保各種服務與應用不會受到無線技術的影響，進而賦予產品更高的可攜性。但如何做好兩者之間的溝通，是設計上的一大挑戰。  

基本上，手機設備或協力軟體業者都希望保有選擇的權力，也就能自由的搭配作業系統、應用處理器，及無線數據機，而不想被迫去用特定廠商的專屬解決方案。這對行動平台/晶片組廠商來說是不小的挑戰，他們得同時支援多套主流的作業系統，而且能橫跨不同的數據機處理模組。  

要克服這種複雜性的一個務實方式，是採用開放多媒體介面的一般性架構，而且是基於硬體抽象(Hardware Abstraction)的介面作法。在這個架構同時提供上層和下層的觀點，上層的觀點提供應用程式撰寫者一套針對特定作業系統的統一軟體介面，並對底層的處理器設計加以抽象化；底層觀點是針對LCD控制器、影像感測器，或照相機等一般性應用周邊的一組標準硬體介面。  

在此架構下，由於採用標準的介面，因此與數據機的技術(GSM/GPRS/EDGE/UMTS)無關，也和單核心或多核心的架構無關，而以一組一致性的API架構在高階作業系統之上。如此一來，應用軟體從底層的平台架構分離出來，開發者只須從上層架構的觀點對應用程式做抽象層級開發，而不用對底層的實體平台直接呼叫，這讓產品能更快速開發，在平台更新時也不須犧牲效能或程式碼的可互操作性(Interoperability)，應用功能只須要寫一次。不僅如此，由於此一架構的平台具有通透性，製造商也很容易對硬體和軟體做各種功能升級。  

硬體平台最佳化  

除了抽象層級的設計外，智慧型手機的硬體平台也須做最佳化的規畫。在硬體平台中的靈魂角色自然是這顆主處理器，由於ARM核心符合可攜式設備的種種需求，可以說是目前市場接受度最高的處理器核心。以Nomadik平台為例(圖3)，即採用ARM926EJ-S核心，它是一個32位元RISC核心，在一般情況下，它能在0.13微米CMOS製程產品上，達到350MHz的速度。這個核心包括一個記憶體管理單位(MMU)、32Kb指令快取(Instruction Cache)、16Kb資料快取、一個能執行單一循環MAC的16×32位元乘法器(Multiplier)，以及具有即時除錯支援能力。  

ARM926EJ-S包含ARM專門針對Java加速而推出的Jazelle技術，這項ARM的延伸功能可以執行139個在硬體中，以及88個以上在軟體中最常用的Java位元組程式碼。在運作時，大約95%的Java位元組程式碼一般可由硬體加速器來執行，其他5%較少使用的Java位元組程式碼是由專門為了與Jazelle硬體工作而撰寫的最佳化Java虛擬機器(JVM)來執行。ARM926的主要功能特色整理如下：  

‧32/16-bit RISC架構，並採用業界標準的AMBA bus AHB介面。  

‧16-bit Thumb指令集，用於增加的程式碼空間。  

‧DSP指令延伸和單一循環MAC。  

‧Java程式碼位元組的高執行效率：0.075mW/CaffeineMarks，6CM/MHz＝2100CM @ 350MHz。  

除了處理器核心外，系統中各個單元的互連性也非常重要。以Nomadik來說，它採用多層式AMBA Crossbar互連技術，這能讓在CPU、多媒體加速器、系統記憶體和周邊之間的資料頻寬達到最大；其周邊支援Symbian、Linux和Windows CE.NET等高階作業系統，也支援行動多媒體應用所需要的外部介面，如LCD、MMC和安全性數位介面卡，和外部的音訊編解碼器(Codec)。  

開放平台 加速上市  

綜上所述，智慧型手機可以說是未來手機的主流型式，但要能成功打進大眾的市場，除了採用先進的技術外，還得朝開放性的平台架構發展。這個平台架構應具備：(1)支援通用性處理器核心；(2)支援多種主流作業系統；(3)支援豐富的周邊設備；(4)支援開放性及說明文件齊備的API；(5)具有高度的功能延展性；(6)提供高階語言的抽象層級開發環境。  

不僅如此，要快速且成功的開發智慧型手機，設備業者須與行動平台/晶片組廠商密切合作，而行動平台/晶片組廠商得發展出全面性的產業聯盟(Ecosystem)，也就是由硬體廠商提供包含通訊及多媒體處理環境的完整參考設計、開發與測試工具，及說明文件等，並由專精於個別作業系統的協力軟體廠商協助應用功能上的開發與系統整合，讓設備廠商能更快推出產品。  

一套可重覆使用的行動開發平台非常重要，其將有效加速設備廠商下一代產品的開發時程，從過去可能需要9～12個月的時間，縮短到半年內就能開發完成。不過，除了終端產品的開發外，智慧型手機的普及還需要整體環境的配合，包括寬頻通訊骨幹的建立與服務的推展，以及內容與應用上的多元性等。  

(作者為意法半導體亞太區通訊及行動多媒體事業部技術行銷工程師，聯絡方式：vincent.chiang@st.com)  

(詳細圖表請見新通訊60期2月號)