行動電話技術在過去十年歷經大幅變革，技術的變遷亦同時改變我們使用手機的模式。儘管大多數手機使用者仍然將手機單純用來進行語音通訊，但有愈來愈多的使用者開始運用手機的上網、無線區域網路（WLAN）、全球衛星定位系統（GPS）以及藍芽連線等功能，並發揮各種可攜式應用的效益，例如多媒體簡訊、語音啟動功能、遊戲、無線影像傳輸、行動影片及MP3播放等。這就是所謂的整合型或智慧型行動裝置。

在2003年，上述強化功能的整合型行動裝置預估將在全球手機總出貨量搶下3％的市佔率，並將以每年三位數的年成長率快速擴張。這是由於包括以語音為主的多功能行動裝置及搭載應用處理器的手機市場大量成長的結果。這類手機搭配各種作業系統，能支援種類繁多的資料處理功能，包括下載與執行軟體。此類以語音為主軸裝置的設計理念行動裝置使用者終將化繁為簡，將眾多隨身的行動裝置整合成為單一裝置，而整合型行動裝置終將取代呼叫器與PDA，成為此項趨勢下的最終行動裝置。

瞭解面臨的障礙

整合型行動裝置的長期成功有賴於服務供應商透過各種吸引消費者的服務拓展新市場，這意謂著業界必須滿足可支配所得不高卻又渴望使用功能完整產品的消費大眾的需求。而如今的問題在於智慧型手機的成本遠高於標準型手機，使得電信業者必須提高手機津貼才能擴展市場。此一情況使得利潤原本就難以維持的市場更加雪上加霜。

面臨上述環境，OEM廠商應如何克服挑戰，以更大眾化的價位生產智慧型手機或整合型行動裝置？尤其是在無線裝置的OEM廠商以及其它研發與製造業者不斷尋求能夠縮短產品上市時程、降低研發成本及降低產品的複雜度新方案。而這些方案的研發週期通常介於12至24個月之間，且須在軟體、硬體、射頻及生產測試等方面排除數千小時的研發人力時間。

要瞭解如何解決這些問題，必須先解析技術演進的過程。在行動電話方面，從類比技術轉移至數位技術，迫使業界推出內含一顆微處理器及一顆DSP的雙核心架構。由於目前的雙核心基頻架構並不是針對整合型裝置功能需求所設計，因此智慧型手機架構在雙核心基頻IC外再加入一組獨立型應用處理器，以藉此提供更多的處理資源，同時亦加入分離式模組以支援WiFi與Bluetooth等更多的無線網路技術。這種模式能消弭通訊協定與多媒體處理作業間的效能衝突，並能解決雙核心分工所衍生的安全問題。在這些核心之間分配晶片內部的記憶體資源，不僅會提高配線的複雜度，亦會對支援更多應用與網路通訊協定的彈性形成限制。

《圖一　目前智慧型手機搭載獨立的基頻IC與應用處理器，每顆處理器都需要配置專屬的記憶體系統》

目前智慧型手機架構的一項重大缺點就是由於採用獨立型應用處理器、微細胞基頻元件及通訊模組，而每項元件都必須配置專屬的記憶體，造成元件數量的居高不下。某些產品運用SiP等IC封裝技術減少元件數量及印刷電路板的面積，雖能降低元件數量，但卻會增加更多的成本，且無法降低系統的複雜度。

相對地，藉由提高所有核心（應用處理器與基頻IC）的時脈速度，能夠部分有助於提升智慧型手機的功能。泛用型處理器不論是否強化DSP或SIMD技術，都必須在高頻率下運作來處理音效與影片等資料密集的處理作業。同樣地，DSP的運作時脈亦須提高，方能支援GPRS等封包資料的處理需求。DSP平台能執行各種訊號處理作業，並可作為主處理器的從屬處理器，能在通訊軟體協定堆疊的上層（L2/L3）中運作。DSP負責的Layer 1訊號處理作業包括等化、解調變、頻道編碼/解碼、語音編碼、回聲與雜訊消除及音量等化。

運用多組獨立處理資源的模式還有另一項缺點，就是需要一套精密的跨處理器通訊網路來執行資料交換及控制作業。雖然各處理資源間的軟體分割相對下較為穩定，但隨著系統每增加一個模組，此種模式的複雜度亦隨之增加，如(圖二)所示。跨處理器通訊成為軟體與硬體研發業者心中最畏懼的設計挑戰，因為必須克服交換即時音效資料、處理高速封包資料及封閉迴路的系統控制等問題，才能開發出具有各種必備功能的產品。

跨處理器通訊所處理的並不限於微細胞基頻及應用處理器之間的資料傳輸。在微細胞基頻與藍芽模組間支援一套全雙工數位音效傳輸管道，同時支援應用處理器與微細胞基頻間的封包資料通訊，需要建置一套精密的跨網路機制。

《圖二　處理器與基頻系統中的DSP之間的軟體作業分割，相對之下較為穩定。加入更多功能通常會破壞作業流程，且需要進行小心的分割，藉此降低跨處理器的資料傳輸量。》

此種跨處理器通訊網路的複雜度，不僅會降低使用者應用系統所能運用的效能，同時也會提高耗電量。應用處理器與每個無線數據機之間的介面需要一套多層式軟體通訊協定堆疊來支援使用者的資料傳輸、網路ID設定、承載頻道設定及數據機模組控制等作業，支援數位內容更會增加複雜度。其中一項能滿足這些介面需求的硬體建置方案就是建構一套精密的序列介面，透過單一的硬體序列介面來支援各種流量的負荷。但是不論採用何種模式，序列通訊協定的複雜度都是難以避免的。而序列介面兩端所需要的淨效能，不僅會消耗電池電力，更會降低應用處理器所能運用的處理效能。

運用多組數據機來支援多套無線網路的策略亦有許多其它缺點。首先，要監視現在的無線網路，必須在各個應用處理器之間建立互動管道，藉此涵蓋所要監視的連線節點。這種定期作業加上跨處理器通訊所涉及的複雜度，會耗用更多的處理資源，進而消耗電池的電力。其次，從硬體設計的角度來看，為每種無線通訊模式配置專屬的基頻處理功能，必須為每個連結節點提供所需的處理器、記憶體、時脈及支援邏輯等資源，其結果就會增加矽元件與印刷電路板空間的總成本。

儘管半導體製程已經有大幅度的改進，但任何數位裝置的時脈提高仍會增加產品的耗電率。雖然大多數手機使用者瞭解在執行密集運算的遊戲或觀看影片時電池續航力會縮短，卻仍希望手機電池的續航力能超過筆記型電腦。資料密集的影音處理作業可交由專屬的硬體加速器負責，使主處理器能降低運作時脈及電壓。一般而言，專屬的硬體加速器是節省電池電力的利器，但卻缺乏彈性且會增加產品被淘汰的風險。

克服障礙

為了克服上述的種種障礙，必須大幅改革智慧型手機的傳統設計，並融入關鍵的架構改變，其中最重要的改變就是將所有通訊協定的處理作業整合至單核心DSP數據機，並由一顆專屬微處理器支援所有的應用。以飛思卡爾半導體為例，該公司設計一種名為Mobile Extreme Convergence（MXC）架構的整合型平台。MXC IC可處理複雜的Mobile Extreme Convergence架構，如(圖三)所示。該架構雖與現有的微細胞基頻架構一樣擁有兩組嵌入式核心，但底層的架構及MXC架構的分割模式，在處理分割、系統資源管理、安全防護及降低複雜度等方面代表一種革命性的改良。

《圖三　MXC架構的區塊圖顯示在應用處理器與數據機元件間建構一套簡易的分割》

MXC的DSP能夠驅動所有全球手機與區域性連結通訊協定，最多可取代六組處理核心（包括基頻、藍芽、GSP等），大幅降低系統複雜度同時降低耗電率。運用最新世代的單核心StarCore DSP能執行2.5G、2.75G及3G（W-CDMA、UMTS）標準的所有訊號通訊協定層（L1、L2及L3）。核心能存取外部共用記憶體，確保系統研發業者能擴充數據機軟體，使單一設計能支援多種無線存取協定。研發業者亦可運用記憶體擴充功能使DSP執行音效編解碼或語音辨識處理等各種功能。

StarCore DSP時脈頻率達到208MHz，並搭載四組MAC及二組位址產生單元（address generation unit），每個時脈週期能執行六組指令。此種搭配能提供更高效能，超越無線電頻道的處理需求底限。舉例而言，多出的效能可用來強化頻道等化（channel equalization）及錯誤校正等功能。DSP效能的另一項運用方式可作為強化型參數音效等化器，支援喇叭、轉換器及耳機等裝置。保存效能及共用記憶體系統亦使單核心的DSP能支援各種替代的無線連結選項，如藍芽與WLAN網路，且不須在架構中加入更多的處理功能。支援E911及運用GPS支援更多地域性的應用，會增加智慧型手機架構處理上的複雜性。透過StarCore DSP提供的額外效能，能夠降低此等額外處理資源所增加的成本與空間。

傳統雙架構系統的Layer 2與Layer 3通訊協定層需要少量的處理效能（約15 MIPS），StarCore DSP處理各種數據機作業所需的平均MIPS並不會有大幅度的變化。然而，這種架構的即時系統效能（尖峰MIPS需求）必須在不犧牲通訊協定堆疊執行效率的情況下處理各項作業，此時就必須仰賴一套即時作業系統、執行單核心數據機及先佔式多工功能。這種架構可加以延伸，處理DSP中各種無線通訊協定的MAC軟體作業。

MXC的專屬應用處理器是ARM1136核心，晶片內建128Kbyte的Level 2快取及週邊元件，支援400MHz的運作時脈。該核心同時也是第一款搭載L2快取的ARM核心。從(圖四)可以看出從外部SDRAM執行程式時L2快取所發揮的效能優勢。雖然ARM1136核心及DSP共用相同的記憶體頻寬，但L2快取使ARM核心的效能獲得145％的提升。可設定的2D平面繪圖Bit-Blit位元區塊處理引擎、支援3D繪圖的浮點運算協同處理器及高彈性的硬體影像處理器，在運算監視視窗影像時能分擔應用處理器的運算負荷，這些元件都能進一步提升ARM1136核心的效能。

MXC的ARM1136核心類似於其它同級處理器，能夠支援USB 2.0、MMC/SD、SDIO、I2C、SSI、SPI、UARTx2、GPIO、keypad鍵盤、IrDA及外部中斷等各種週邊裝置。此外，該核心亦支援智慧型與一般LCD面板（最高可支援VGA規格）及影像感測器。MXC內含一套彈性化的數位媒體配接器引擎，包括32組獨立通道，支援各種傳輸流量模式，不須CPU處理就能持續將資料傳送至晶片的週邊元件。

行動平台安全機制

業界轉移至開放性架構及Linux、Windows CE、Palm OS、Symbian OS等作業系統的趨勢，使得使用者能夠在手機上安裝軟體與新功能。安裝軟體的流程愈容易，裝置受到外來安全性攻擊的機會也就越大。除非業者能有效解決安全方面的問題，否則行動商務市場就無法順利發展。一般而言，攔截無線電訊號遠比攔截有線網路要來得容易，因此所有針對無線裝置開發的行動商務架構都必須在提供適合的安全解決方案前提下進行，以保護透過無線裝置建立、儲存以及傳送的資料。

雖然無線設備與軟體廠商已發表許多產品以保護傳輸資料，但業者在下列兩項領域中仍須作更多的努力：

市場對於無線網路安全性遠遜於有線網路的觀念將形成無線網路市場形成一大障礙。

MEC架構內含Freescale的安全框架，包含支援各種安全服務與應用的硬體與軟體元素。在最底層部份，MXC的單核心數據機能區隔出通訊協定堆疊中的無線網路部份，並將處理工作從安全應用處理器轉移至DSP，藉此提供系統安全與完整性。此種分割機制能夠大量降低重要低階通訊協定層遭受外界修改或被電腦病毒破壞的機率。硬體防火牆與DSP通訊軟體串成一道邊界防護網，保護共用系統記憶體。

透過獨立的晶片內部記憶體支援secret-key加密管理功能，搭配存取管制的驗證機制，可建立完善的安全防護網。同時，晶片內儲存一組獨一無二的ID序號，亦可用來建構安全機制。此外，安全的晶片內部開機ROM能執行程式碼映像檢查程序，針對應用處理器環境建立point of trust。開機元件包括Public Key Infrastructure、hash function及一組支援數位簽章計算的元件，負責檢查刷新後的程式碼，檢查無誤後再載入行動裝置。

《圖四　圖中顯示內建L2快取的ARM1136核心的效能提升。在此範例中，DSP在EDGE Class 12環境中執行L2/L3通訊協定層的軟體。效能優勢包括與DSP共用外部記憶體系統所產生的衍生效應。》

SHA-1混和加速器（hash accelerator）為大型記憶體空間提供一個混合或訊息整合的工具，並針對身份驗證等應用提供數位簽章的處理機制。安全控制模組內含一套RAM模組與安全監視器：安全RAM模組內含一系列元素，包括針對處理器外部儲存，為機密性資料（密碼、信用卡帳號）提供168位元的secret-key及triple DES三重加密機制。此外，它能將加密後資料暫時儲存在處理器內，供即時處理之用。這些加密元件支援完整的安全服務與應用，包括從藉由數位版權管理保護智慧財產的低價值交易，一直到協助全球化企業在進行高價值交易所需的保護機制。

整合所有元素

MXC架構提供一套簡化的軟體研發環境，透過一套標準化且說明文件完備的應用編程介面（API）為開發基礎。這些高階API讓業者不必直接呼叫底層的平台硬體，就能著手開發應用與內容。此外，軟體分割模式能夠協助程式開發人員分別開發應用環境及數據機環境。針對開放性作業系統環境開發的應用能夠移植到各種行動裝置上，以縮短研發週期時間及產品上市時程。

任何行動平台都必須解決低耗電製程及相關的設計問題，才能達到真正的行動化目標。MEC架構的設計則致力降低運作與待機模式的耗電率。在電路層面，MXC架構的設計策略包括動態電壓調整（DVS）、時脈閘道及低漏電製程。設計技術仰賴高門檻電壓的電晶體，其漏電率低於速度更快的low-Vt電晶體。另一方面，高速電晶體僅應用在影響速度的關鍵線路，這些線路僅會影響少數的邏輯閘。Freescale運用back-biasing與well-biasing偏壓技術，使低漏電率的電晶體表現的更像是low-Vt電晶體。

《圖五　功能眾多的行動裝置已陸續問世》

結語

隨著MEC架構等平台的陸續問世，手機技術將面臨前所未有的大幅變革。在不久的將來，消費者將可實現集合眾多新功能、更長的電池續航力及更高的安全性的行動裝置。手機將不再只是手機，成為消費者生活中不可或缺的工具。（作者為Freescale飛思卡爾資深技術專員）

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