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公司 2010-2-22 14:58

论山寨手机与Android 【9】SmartPhone的硬件结构

如何区别智能手机(SmartPhone)与功能手机(FeaturePhone)?

有一种观点认为,智能手机本质上是功能手机与便携式电脑(Laptop PC)的结合。功能手机的功能受限于制造厂商的预制,也就是说,用户基本上只能使用手机出厂时已经预制的功能,而不能自主下载并安装新的应用。而个人电脑出厂时,多半是裸机,用户根据自己的喜好,自主决定安装哪些软件。一言以蔽之,所谓智能手机,就是用户能够自主安装应用软件的手机。

按照这个定义,智能手机与上网本(Netbook)有什么本质区别呢?

智能手机与上网本并不存在本质区别。如果说电脑与功能手机是一段光谱的两极,那么智能手机与上网本都处于两极的中间。智能手机更接近功能手机,强调小巧,省电。而上网本更趋近与电脑,强调功能,但是代价是尺寸较大,耗电,续航时间短。例如,Apple公司最新推出的iPad上网本,实际上就是放大了尺寸和功 能的iPhone智能手机,见Figure 9.1 并参考文献[1] 。

Figure 9.1 iPad notebook is an enlarged iPhone smartphone. [1]
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4063/4348114249_e5bbef101b_o.png

从硬件结构上看,不妨把智能手机粗略地概括为电脑加移动网卡。我们在上一节,“自己动手做电脑手机”一文中,大致介绍了电脑加移动网卡的具体做法。

智能手机 == 电脑 + 移动网卡,这个提法比较粗略,更精准的提法应当是,智能手机的硬件结构分为AP和BP两个部分。AP,应用程序处理器(Application Processor),负责大部分应用程序的执行。而BP,基带处理器(Baseband Processor),也称为通信处理器(CP,Communication Processor),负责所有通讯软件的执行。

如果说功能手机的硬件结构,以BP为主体,添加了一些额外的应用程序和相应的硬件外设。那么智能手机作为功能手机的进一步发展,在BP的基础上,增加了AP,专门用于强化对应用程序的支持。

但是AP并不等同于电脑主板,这主要体现在CPU的配置上。一方面智能手机AP的CPU的运算速度,应当趋近于电脑CPU的速度。以往智能手机AP 的 CPU,速度通常是200MHz以上,而近期高档智能手机AP的CPU速度,有的已经达到1GHz。另一方面,智能手机AP的CPU不能一味追求速度,而 且要均衡CPU尺寸,便于携带,还要考虑省电,延长续航时间。

在权衡了CPU的速度,尺寸,以及耗电量等等诸多因素以后,ARM系列CPU成为智能手机AP的CPU的主流。当然,并不是所有厂商都接受这个观点,例如Intel就不看好ARM系列。

2006年,Intel把ARM指令兼容内 核的StrongARM/XScale产品线,作价6亿美元,卖给了Marvell [2]。同时,Intel着力发展x86内核的Atom CPU,与ARM系列争夺手机芯片市场。但是代号为Menlow的第一代Intel手机芯片,由于功耗和电源管理无法满足手机的要求,无法挑战ARM系列 在手机芯片市场的地位,只好转战上网本 [3]。

但是在2010年1月份举办的美国家电年度展会(CES)上,韩国厂商LG展示了一款新 手机,LG GW990,见Figure 9.2。这款手机的看点,是使用了代号为Moorestown的第二代Atom CPU芯片。据传闻,Moorestown的续航时间长达24小时 [4,5]。

Figure 9.2 LG GW990, with Intel Moorestown Atom CPU inside [5].
Courtesy http://www.blogcdn.com/www.engadget.com/media/
2010/01/intel-keynote-ces10-0175-rm-eng.jpg

虽然Moorestown似乎很有潜力,但是就目前而言,ARM系列CPU在手机芯片市场的霸主地位,是毋庸置疑的。例如,最近几年,多款被市场热捧的智能手机,它们的CPU都不约而同地选用了以ARM Cortex A8为内核的芯片。

1.  Palm公司曾经在1990年代以掌中宝Palm PDA风光一时。后来一度沉寂,迷失了自己的定位。2009年1月,在美国家电年度展会(CES)上,Palm高调宣布他们研制的Palm Pre手机即将上市。这款手机的确很炫,获得该年度CES大奖。

Palm Pre手机于2009年6月正式上市,它使用的CPU芯片,是德州仪器(TI)于2007年推出的OMAP3430芯片,而OMAP3430芯片的内核,是ARM Cortex-A8 [10]。

2.  同样在2009年6月份,Apple公司的iPhone 3GS也上市,把Palm Pre的风头抢了过去。iPhone 3GS的CPU,选用的是Samsung S5PC100芯片,这款CPU的内核也是ARM Cortex-A8 [11]。

3.  老牌手机制造商Moto,业绩持续下滑。但是在2009年底,老树新花,Moto推出以Google Android v2.0为操作系统的Droid,火爆一时。与Palm Pre手机不谋而合的是,Droid的CPU也选用了TI的OMAP3430芯片,其内核也是ARM Cortex-A8 [12]。

4.  Google一直声称自己不介入手机制造。但是在2010年1月,由台湾HTC代工的Nexus One,却是Google自己的品牌手机。Google Nexus One手机,内置CPU芯片是高通(Qualcomm)的Snapdragon系列QSD 8250芯片。该芯片的内核也是ARM Cortex-A8 [13]。

Figure 9.3 Palm Pre, iPhone 3GS, Moto Droid, Google Nexus One, all uses ARM Cortex-A8 CPU [10,11,12,13]。
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4069/4351123874_7c626a9175_o.png

智能手机的CPU芯片,核心是处理器内核,例如ARM系列内核。除了内核以外,还包括其它外设组件。下面以TI的OMAP3430芯片为例,解剖一下智能手机CPU芯片内部结构。Figure 9.4是OMAP3430芯片的内部结构图,其中内核是ARM Cortex-A8。

ARM系列包括型号众多的内核,为什么大家不约而同地选择ARM Cortex-A8?选择的要点是功能,速度,耗电量三者的权衡。

ARM Cortex-A8使用的指令集是ARMv7。StrongARM系列,使用的指令集是ARMv4。ARM7系列和ARM9系列,用的是ARMv4和ARMv5指令集。ARM11系列,用的是ARMv6指令集。

指令集版本号越高,一方面意味着指令的数量越多,从而导致芯片内部电路越复杂,制造难度也越大。另一方面,指令集越大,指令数量越多,也说明芯片的功能越 强,运行程序的速度越快。Cortex内核,是目前所有ARM系列CPU芯片中,功能最强,速度最快的一类。ARM9系列CPU的速度是 200-400MHz,ARM11系列是400-800MHz,而ARM Cortex A8/A9高达800-1000+MHz [7,8,9]。

ARM Cortex A8/A9功能强,速度快,而且比较省电,这就是以ARM Cortex A8/A9为内核的手机CPU芯片,被市场推崇的原因。当然,假如Intel的第二代Atom CPU,Moorestown,成功地降低了耗电量,那么就有可能冲击ARM Cortex A8/A9的霸主地位。

除了ARM Cortex-A8内核以外,OMAP3430芯片还包含其它专用处理器内核。

1.  视频音频编码解码加速器 IVA2+,用于支持MPEG4,WMV9,H.264以及RealVideo10等等主流流媒体标准,实现视频会议,并让手机具备录制和播放DVD质量的视频的能力。

2.  PowerVR SGX图形内核(GPU),用于增强2D和3D图片的渲染效果和速度。支持OpenGL ES2.0 and OpenVG。

3.  图像信号处理内核(ISP),用来实现相机系统的高画质,强性能,和低成本。支持12M像素相机模块;实时JPEG图像压缩。

Figure 9.4 TI OMAP3430 CPU Architecture
Courtesy http://focus.ti.com.cn/graphics/wtbu/blockdiagrams/l4_omap3430.gif

选择什么样的CPU芯片,就基本决定了手机主板的结构。例如,TI的OMAP3430芯片,本身不处理电源管理以及音频编码解码(Audio/Voice Codec),这两项工作,交给了TWL5030专用芯片处理,如Figure 9.4所示。因此,以TI的OMAP3430芯片为CPU的主板结构,与选用其它芯片为CPU的主板结构,在扬声器,耳机和话筒的连线上,有显著不同,参 见Figure 9.5中红框标识部分。

Figure 9.5中上图为Moto Droid的逻辑结构图,下图为iPhone 3GS的。图中央的黑色方块,显示了应用程序处理器(AP)的CPU,Moto Droid的CPU是TI的OMAP3430,而iPhone 3GS的CPU是Samsung的S5PC100。Samsung S5PC100芯片自身拥有音频编码解码的功能[14],所以iPhone 3GS的扬声器,耳机和话筒直接连线到S5PC100芯片上。

Figure 9.5  Moto Droid vs iPhone 3GS internal logical structures [15,16].
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4028/4351590146_a5c13eff04_o.png

Figure 9.5 中央有两个黑色方块,右边的是应用程序处理器(AP)的CPU,左边的是基带处理器(BP)的CPU。Moto选用了高通(Qualcomm)的 QSC6085芯片,作为BP的CPU。而iPhone 3GS选用的是英飞凌(Infineon)的芯片。关于BP的结构,我们将在下一章介绍。

智能手机的主板,以AP和BP的CPU芯片为核心,理解了这两块芯片,就不难理解手机主板的逻辑结构,例如Figue 9.5显示的Moto Droid和iPhone 3GS两款手机的主板逻辑结构。

理解了主板逻辑结构以后,再看主板实物,就不至于眼花缭乱。Figure 9.6显示的是Moto Droid和iPhone 3GS两款手机的主板实物照片。把Figure 9.5和Figure 9.6对照着看,有助于理解。需要注意的是,实物图中看不到CPU芯片,因为在主板中,CPU和RAM是叠加在一起的。这个做法叫Package on Package(PoP),它的好处主要是节省主板空间[17]。

Figure 9.6 Moto Droid vs iPhone 3GS PCBs [15,16].
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4061/4351590148_f6a392d8b9_o.png

总结一下,本章简要介绍了智能手机的硬件结构。硬件结构中,CPU芯片是核心,其它外围设备,包括LCD,相机,扬声器,话筒等等,都围绕CPU芯片这个核 心布局连线。在CPU芯片内部,内核是关键。ARM系列是目前主流的手机CPU内核。其中,最近几年很热门的是ARM Cortex A8/A9。

下一章,我们将讨论智能手机中基带处理器(BP)的实现方式。比较各个不同的实现方式之间,有哪些差别,各自有什么优缺点, 以及AP与BP两者协作的方式。

Reference,

[1] Comparison of iPad and iPhone technical specs.
(http://www.apple.com/ipad/specs/; http://www.apple.com/iphone/specs.html)
[2] Intel sold StrongARM/XScale to Marvell for 600 million.
(http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=189601851)
[3] Intel drops Centrino Atom Brand after 5 months.
(http://www.pcworld.com/businesscenter/article/149791/
intel_drops_centrino_atom_brand_after_five_months.html)
[4] Intel demonstrates Moorestown smartphone.
(http://www.anandtech.com/cpuchipsets/showdoc.aspx?i=3716)
[5] Intel Keynote CES 2010, introducing Moorestown.
(http://www.engadget.com/2010/01/07/live-from-paul-otellinis-intel-ces-keynote/)
[6] Introduction to TI OMAP3430 micro-processor.
(http://focus.ti.com.cn/cn/general/docs/wtbu/wtbuproductcontent.tsp?
templateId=6123&navigationId=12643&contentId=14649)
[7] ARM Processor Survey. (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture)
[8] ARM Processor Selector. (http://www.arm.com/products/CPUs/core_selector.html)
[9] ARM Core Overview.
(http://digital.knu.ac.kr/lecture/
%EC%82%BC%EC%84%B1%ED%85%8C%ED%81%AC%EB%85%B8MBA/2_arm_core.pdf)
[10] Palm Pre technical spec. (http://pdadb.net/index.php?m=specs&id=1688&c=palm_pre_cdma)
[11] iPhone series technical spec. (http://en.wikipedia.org/wiki/IPhone)
[12] Moto Droid technical spec. (http://developer.motorola.com/products/droid/)
[13] Google Nexus One technical spec.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Nexus_One;

http://en.wikipedia.org/wiki/Snapdragon_%28processor%29)

[14] Samsung S5PC100 technical spec.
(http://www.samsung.com/global/business/semiconductor/support/
brochures/downloads/systemlsi/s5pc100_brochure_200902.pdf)
[15] Moto Droid teardown and analysis.
(http://www.phonewreck.com/2009/11/12/motorola-droid-teardown-analysis/)
[16] iPhone 3GS teardown and analysis.
(http://www.phonewreck.com/2009/06/19/iphone-3gs-teardown-and-analysis/)
[17] Package on Package introduction. (http://en.wikipedia.org/wiki/Package_on_package)

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