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公司 2010-2-18 14:51

论山寨手机与Android 【6】MTK手机的基带芯片

MTK的硬件技术的核心,在于它的基带芯片。为了降低成本,同时缩减手机主板的面积,基带芯片中除了CPU以外,还集成了很多外设控制器。Feature Phone的功能,基本上取决于基带芯片所支持的外设功能。

最早的MT6205方案,只有GSM的基本语音功能,不支持GPRS数据通信、没有WAP、MP3等功能。

随后MT6218在MT6205基础上,增加了GPRS数据通信、WAP浏览、MP3功能。

接着MT6219在MT6218基础上,又增加了内置1.3M照相/摄像功能,同时还增加了MP4功能。

MTK再接再厉,在MT6219基础上进一步优化,开发了MT622x系列产品。例如,MT6226是一款性价比相当高的产品,内置VGA照相/摄相处 理,支持 GPRS、WAP、MP3、MP4等。同时,还开发了多款衍生品,例如,MT6226M支持1.3M相机的。MT6227支持2M相机。而MT6228不 仅增加了电视输出功能,同时还支持3.0M相机,等等。

从已经淡出市场的MT6205,MT6217,MT6218,MT6219,到现在仍然在市场销售的MT6223,MT6225,MT6226,MT6227,MT6228,MTK生产的所有Feature Phone的基带芯片,均采用ARM7的内核。

Figure 34. 以MT6225基带芯片为核心的MTK主板 [30]
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2625/4194503831_d5fbf67d28_o.png

Figure 35. MT6225 Architecture [31,32,33,34]
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2735/4210933610_15de4f53c2_o.png

在Figure 34中,整个MTK手机主板的核心,是红线标出的MT6225基带芯片。虽然MT6225芯片的尺寸很小,但是它包含的功能却不少,参见Figure 35。

以MT6225基带芯片为核心,加上电源管理芯片(PMIC)例如MT6318,还有射频芯片例如MT6139,另外再加上Flash存储芯片,就构成了 MTK手机主板的基石。把这些芯片的引脚,连接上天线,LCD显示屏,SIM卡槽,扬声器麦克风等等外围设备,就实现了一个完整的Feature Phone的基本功能。

MT6225芯片的核心,是ARM7EJ-S微处理器(Micro Controller Unit,MCU)。ARM7EJ-S微处理器的基本任务,是执行最基本的计算机指令(Instruction Set),例如move,add,branch,shift,and,push/pop等等[34],学过汇编语言的同学应该不陌生。

Figure 36. ARMv5TEJ CPU Core Block Diagram[34]
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2600/4216312750_de8d884003_o.png

在ARM7EJ-S微处理器内部,又可以细分为多个模块。其中,负责执行机器指令的模块,是ARMv5TEJ CPU内核。

指令执行的物理实现方式,决定了CPU内核的结构。CPU内核结构的设计,包括如何设置memory和register,如何读入数据以及移出数据,如何 处理address,interrupt,exception,等等。ARMv5TEJ CPU内核的物理结构,如Figure 36所示。图中显示了CPU内部各个物理模块,以及各个模块之间相互勾连的组织方式。其中包括数据处理模块,如load/move,算术运算模块,如 add/multiply,以及数位操作模块,如shift/rotate,等等。

ARMv5TEJ这个CPU内核型号中,v5代表第5号版本的ARM指令集,以及相应的CPU内核物理结构。ARMv5TEJ CPU内核被运用在多款微处理器中,包括ARM7EJ-S和ARM926EJ-S。StrongARM系列微处理器的CPU内核是v4,ARM11系列的 CPU大多是v6,而ARM Cortex的CPU则是v7[36,37,38]。

虽然ARM有不同版本的指令集,但是这些指令的物理意义大同小异,不同之处在于指令数量的多寡,以及指令的语法规则的调整。不管是哪一个版本,ARM的指 令集都属于精简指令集RISC系列。RISC(Reduced Instruction Set Computer)的设计宗旨,是把逻辑复杂的指令,分解为一连串简单的基本指令,而RISC指令集只包含这些基本指令。RISC的好处是,逻辑电路简 单,体积小,同时可以通过提高频率的办法,提高CPU运行速度。但是代价是增加了CPU与Memory之间数据交换的负担。

所谓精简指令集中的“精简(Reduced)”,是相对于早年不精简的指令集而言。不精简的指令集,或者专业一点讲,复杂指令集 CISC(Complex Instruction Set Computer)并没有过时,并没有成为被淘汰的技术,例如Intel的x86 CPU系列,不仅当今仍然是电脑CPU的霸主,而且Intel正在积极努力,把x86 CPU芯片,推向手机芯片市场。

CISC学派不同 意RISC的思路,他们认为,单纯提高CPU的频率,并不能提高整个系统的运行效率,理由是Memory的IO速度比CPU慢,拖了整个系统的后腿。所 以,为了提高系统的运行效率,应该设法降低CPU与Memory之间的数据交换。过份精简指令的数量,导致的后果是增加了CPU与Memory之间的数据 交换,从系统整体性能上看,得不偿失[39]。

来自CISC阵营的批评很有道理。于是,ARM的设计者们在两个方面改进了ARM微处理器的设计,1. 扩展指令集,2. 添加memory管理的模块。

1. 扩展指令集。

前文说到,ARMv5TEJ是一款CPU内核的型号名称,其中v5代表第5版本的CPU内核,T代表Thumb指令集,J代表Java bytecode指令集。

ARM原有的指令都是32-bit,而Thumb指令只有16-bit。Thumb指令集基本上是原有ARM指令集的一个子集,通过压缩参数数量的办法, 降低指令长度。降低指令长度的目的,是变相降低CPU与Memory之间的IO,从而提高运行效率。但是压缩参数数量,等同于弱化了微处理器的灵活性,降 低了它的功能。为了解决这个问题,ARM采取了同时支持原有ARM指令集以及Thumb指令集的办法。通过识别指令的类别,对这两个指令集,分别处理。

除了支持Thumb指令集以外,ARMv5TEJ微处理器还同时支持8-bit的Java bytecode。负责执行Java bytecode指令的,是Jazelle模块。

至于ARMv5TEJ中那个“E”,意思是该微处理器还支持专为数字信号处理(DSP)设计的特殊指令集。

2. 添加memory管理的模块。

前文还说到,ARMv5TEJ CPU内核被运用在多款微处理器中,包括ARM7EJ-S和ARM926EJ-S。这两款微处理器的型号中都带有“-S”后缀,代表可合成 (Synthesis),意味着购买此微处理器技术的客户,可以自行对微处理器结构做进一步修改,例如改变频率,扩展指令集等等。例如,前面Figure 35描述了MT6225芯片的内部结构,其中包括嵌入的ARM7EJ-S微处理器部分。

Figure 37. Comparison of ARM7EJ-S and ARM926EJ-S Architectures [36].
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2547/4215334659_3c87870224_o.png

Figure 37对比了ARM7EJ-S与ARM926EJ-S两款微处理器的逻辑结构。ARM7EJ-S微处理器的逻辑结构,如Figure 37中左侧所示。这款微处理器的结构很简单,以ARMv5TEJ为CPU内核,辅以数据总线接口,用来接收来自外部的控制指令,以及交换数据。另外,还设 有与其它芯片协同工作的接口,以及Embedded Trace Macrocell(ETM)接口,用来跟踪和调试CPU内部工作状态。

Figure 37中右侧图,显示的是ARM926EJ-S微处理器的逻辑结构。对比ARM7EJ-S与ARM926EJ-S,后者复杂很多。但是概括一 下,ARM926EJ-S结构的调整,着力于两个方面,1. ARM7遵循的是冯诺依曼结构,而ARM9转变成了Harvard结构,也就是把指令与数据分开处理[45]。2. 增添了核内缓存(Cache),以及与紧致内存(Tightly Coupled Memory,TCM)的接口[46,47],此外,还增添了MMU(Memory Management Unit),强化对内存的管理。

由于ARM7系列微处理器内部没有MMU,所以ARM7系列无法实现虚拟内存。没有虚拟内存的后果是,各个进程和内核之间可以互相访问对方使用的地址空 间,这个漏洞的隐患很大,有可能让恶意程序钻空子,获取整个操作系统的控制权,然后为所欲为。典型的案例就是死机短信[49],这条短信利用了短信处理程 序中的bug,造成黑屏和抖动,让手机系统失常。

从ARM的网站上可以查到,MTK直接从ARM购买的生产许可证,仅限于ARM7系列,包括ARM7TDMI,ARM7TDMI- S,ARM7EJ- S[40]。这个局面,一直延续到2007年9月10日才发生改变,当时MTK收购了ADI旗下SoftFone手机芯片系列。MTK此举的目的,主要是 着眼于ADI在3G上的专利,但是MTK同时间接获得了ARM9和ARM9E系列的生产许可证,可谓一箭双雕。

从此MTK基带芯片产品,有两个系列,嫡系的MT系列与兼并来的SoftFone系列[42]。在MT系列中,编号小于MT6235的各款芯片,内核均为 ARM7系列。而SoftFone系列各款芯片中,有的以ARM7系列为内核,也有的以ARM9系列为内核,ARM9系列中使用最多的,是 ARM926EJ-S这一款微处理器[43]。

回顾历史,MTK通过不断地优化升级自己的芯片,从而确定并扩大自己的市场地位。延续这一做法,是否能够保持MTK的发展势头呢?不一定。MTK的传统领 地在于Feature Phone,但是Feature Phone正在迅速地被Smart Phone淘汰。MTK如何跟上Smart Phone浪潮呢?且听下回分解。

Reference,

[30] 山寨手机存活的理由。(http://tech.sina.com.cn/mobile/n/2008-06-12/10122253121.shtml)
[31] MT6225芯片简介。(http://www.study-kit.com/list.asp?ProdId=0203)
[32] MTK6225内部结构简述。(http://weboch.cn.alibaba.com/…weboch-50910-483309568.html)
[33] AM7EJ-S Introduction. (http://www.arm.com/products/CPUs/ARM7EJSCore.html)
[34] ARM7EJ-S Technical Reference Manual. (http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0214b/index.html)
[35] ARM926EJ-S Technical Reference Manual. (http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0222b/index.html)
[36] ARM Processor Survey. (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture)
[37] ARM Processor Selector. (http://www.arm.com/products/CPUs/core_selector.html)

[38] ARM Core Overview. (http://digital.knu.ac.kr/lecture/…/2_arm_core.pdf)

[39] RISC vs CISC. (http://www.pic24micro.com/cisc_vs_risc.html)

[40] ARM Processor Licensees. (http://www.arm.com/products/licensing/licencees.html)
[41] MTK收购ADI手机芯片产品线。(http://www.esmchina.com/ART_8800078804_1400_2101_3101_4300_b1c7f2ad.HTM)
[42] MTK Product Lines. (http://www.mediatek.com/en/product/list.php?cata1=1)
[43] MTK SoftFone Product Line. (http://www.mediatek.com/en/product/list.php?cata3=2)
[44] MTK常用术语缩写。(http://www.mtkmtk.com/html/download/mtkmmi/2009/0717/4109.html)
[45] Difference of ARM9 from ARM7. (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM9)
[46] 对ARM紧致内存的理解。(http://hi.bccn.net/space-21499-do-blog-id-15164.html)
[47] ARM Technical Reference, Tightly Coupled Memory (TCM). (http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0338g/Chdhbjjb.html)
[48] Introduction to MMU. (http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_management_unit)
[49] 让你手机死机黑屏的短信。(http://www.177hy.com/bbs/viewthread.php?tid=69038)

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