以往人們外出洽公或旅遊時，若想和同事或朋友保持聯繫，就必須攜帶行動電話；在搭車到達目的地的期間，聽一下音樂放鬆心情，就必須另外再攜帶一個MP3/CD播放機；若還想要看電影的話，就還要帶一個DVD播放機，帶著大大小小的裝置出門，總是很不方便。為了解決這個問題，下一代的行動通訊裝置，如行動電話等，不再只是一個單純的語音通訊設備，它還整合了各式各樣的多媒體應用，如數位相機（DSC）、MP3播放機、MPEG4解碼器和遊戲機等，使人們只要帶著一個行動電話出門，就可以做到許多事，例如能夠同時利用行動電話聽音樂和玩遊戲，在觀看儲存於行動電話中的電影時，若有人打電話來，行動電話必須能明確且即時的通知使用者，使重要電話不至於漏接。

隨著科技不斷創新，在下一代的行動通訊設備中，除了具備基本的通訊功能外，還整合了如數位相機（DSC）、MP3播放器和線上遊戲機等多媒體應用，而要開發這樣一個多功能的多媒體行動通訊裝置，將面臨到許多新的挑戰，如服務品質、反應時間和功率消耗等問題，傳統的單核心系統晶片已不足以負擔如此龐大的工作需求，因此目前新一代的多媒體行動通訊裝置皆採用多核心系統晶片的解決方案，把通訊系統和多媒體處理分開在不同的處理器上執行，以達到在不影響原有通訊功能的情況下，提供高品質的多媒體服務，且在多核心的架構下，把通訊系統和多媒體應用分開在不同的處理器上來執行，可以減少任務轉換的負擔，並節省系統功耗。

下一代的行動通訊裝置帶給人們生活上相當大的便利性，但相對的也帶來許多新的設計挑戰，如下列幾點：

下一代的行動通訊裝置至少必須符合上述這三點才會被消費者所接受，舉例來說，日本廠商DoCoMo的3G手機在上市後，其市場佔有率並不如預期，推究其原因就在於待機時間和通話時間太短，遠遠少於消費者所習慣的2G手機，所以得不到消費者的認同，必須重新設計。

傳統的行動通訊裝置採用單處理器的解決方案，即利用一顆處理器來處理與行動通訊相關的功能，此處理器稱之為基頻處理器。而下一代的行動通訊裝置除了原有的通訊功能外，還整合了許多的多媒體應用，如不改變原有的設計架構，仍利用原先的基頻處理器來處理這些附加的多媒體應用的話，基頻處理器除了原有的通訊任務外，還要處理這些新增的多媒體應用，將大大的增加其負擔，而使其效能降低，服務品質相對的也會下降。況且下一代行動通訊裝置的許多功能都是同時發生的，如邊聽音樂邊玩遊戲，一顆基頻處理器無法處理這些同時發生的任務，光是在不同的任務間做切換（Context Switch），就會浪費掉許多時間，進而造成音訊停頓、視訊閃爍等現象，無法做到即時的反應時間。另外，基頻處理器在處理如此多樣的工作時，需要花許多時間做任務轉換，其功耗也相對地提昇，減少電池使用壽命。

既然單核心架構無法滿足下一代行動通訊裝置的需求，多核心架構應運而生，且為未來主流。一個簡單的多核心系統晶片系統架構如(圖一)所示。在多核心的架構下，除了原有的基頻處理器處理通訊任務外，還有其他的處理器，稱之為應用處理器，用來處理這些附加的多媒體應用，而處理器的組成可能為一般的泛用型處理器，如ARM和MIPS等，或是數位訊號處理器等特殊用途處理器，再根據應用需求加上一些如Java和安全等專用的硬體加速器，可以同時處理這些平行的任務，以達到一定的服務品質、即時的反應時間和很低的功率消耗。由於系統具有多個核心，如何把工作平均分攤給每一個核心來處理，就變成一個很重要的議題，也是多核心架構設計成敗的關鍵因素。除此之外，多個核心之間要如何來做溝通，也是一個必須考慮的因素，如圖一所示，各個核心透過IPCM（Inter-Processor Communications Module）來做資料的交換；且隨著製程技術的不斷進步，現在已經進入系統晶片的時代，所以整個多核心架構可以整合進一顆晶片中，更節省系統面積和功耗。

《圖一　多核心系統晶片架構》

產學界發展現況

多核心系統晶片架構的研發需要很多的資源，除了硬體架構外，為了能夠讓多個核心之間分工合作，充分發揮各個核心的效能，也需要有良好的軟體搭配，一般規模較小的公司可能無法從事這方面的技術開發，所以目前市面上看到的一些多核心架構都是由規模較大的公司，如德州儀器、英特爾和摩托羅拉（Motorola）等所開發出來的，接下來幾個小節將分別介紹這些大公司的多核心架構。

TI OMAP

德州儀器（TI）結合其自有的數位訊號處理器（Digital Signal Processor）和ARM的ARM9微處理器，推出了一個稱之為Open Multimedia Application Platform（OMAP）的多核心平台，是針對目前各種資訊產品的應用所設計的，特別是個人數位助理（Personal Digital Assistant）和下一代的行動通訊裝置，可以做到即時的多媒體影音資料處理、網際網路通訊和無線通訊等功能。而針對不同的應用和市場，德州儀器提出了許多不同的架構，各有不同的特色，如(圖二)所示，(圖三)為OMAP1510的硬體架構圖。

最近德州儀器推出了新一代的OMAP平台，稱之為OMAP2，它整合了德州儀器本身的TMS320C55x DSP和ARM的ARM11微處理器，再加上一些圖形和影像的加速器，以達到更好的效能。OMAP2420的硬體架構如(圖四)所示。

《圖二　TI OMAP處理器支援各種不同的應用和市場》

Intel PCA

英特爾所開發的Personal Internet Client Architecture（PCA）為下一世代的無線行動裝置和應用提供了一個最佳化的開發平台，它特別針對目前通訊和多媒體應用整合的裝置所設計，並提供一包含軟體和硬體的完整解決方案，Intel PCA包含有Intel的XScale微處理器和Intel與ADI共同開發的一個新的DSP架構，稱為Micro Signal Architecture（MSA），Intel PCA架構把通訊和應用分開，分別利用不同的處理器來處理，利用Intel PCA所開發的產品有針對GSM/GPRS行動電話的PXA800F處理器和針對EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution）的PXA800EF處理器等，PXA800F的硬體架構如(圖五)所示。

Motorola MXC

為了滿足下一代多媒體行動通訊裝置的需求，摩托羅拉提出了一個稱為Mobile Extreme Convergence（MXC）的多核心架構。MXC強調高整合度，可將應用和通訊整合在同一顆晶片裡，並完全分離，由不同的處理器來執行，它包含有一個StarCore的DSP，用來處理通訊協定的部分，和一個ARM的ARM1136微處理器，用來處理多媒體的應用，其硬體架構如(圖六)所示。MXC可應用於智慧型電話、PDA、Wi-Fi、3G、超寬頻通訊和全球定位系統等領域。

STC研發規劃　　

可以預見的是下一代的行動通訊設備因整合了多媒體的應用，其消費市場必定會不斷的成長，而構成這些多媒體行動通訊裝置的最重要部分就是一多核心的系統晶片。目前多核心系統單晶片架構的提供者，都是國外的一些大廠，如德州儀器、英特爾和摩托羅拉等，國內目前並無可與其競爭的產品出現，因此，工研院系統晶片技術發展中心之多核心系統晶片技術主題的目的就在於開發出一個可與國外大廠競爭的多核心系統單晶片架構，並技術移轉給國內的系統廠商，以開發出一個完全國產的下一代多媒體行動通訊裝置，並在未來的行動通訊市場佔有一席之地。下面幾個小節將針對本技術主題的研發內容、產業效益和未來發展做一介紹。

多核心架構系統層級設計和驗證

首先，要設計一個符合效能要求的多核心系統晶片系統架構，必須要有一個完整的多核心架構系統層級設計和驗證（Multi-core System-level Design and Verification）環境，本技術主題的工作內容之一即在開發和建構此設計和驗證環境，在初期可以使用一些市面上的系統層級模擬工具，如AXYS的MaxSim和Cadence的Coware等，再搭配自己發展或向thirty party所購買的用SystemC或C/C++所描述的IP模擬模型（Simulation Model），來建構和評估整個多核心系統架構，最後希望可以發展出一套自動化工具，依據規格及效能要求來自動產生相對應的系統架構。

多核心系統晶片平台（Multi-core SoC Platform）

在系統晶片的時代，為了節省開發時間，並符合即時上市（Time-to-Market）的要求，基於平台的設計方法（Platform-based Design Methodology）應運而生，首先要建立一個基礎的平台架構，包含有硬體和軟體兩部分，硬體方面有微處理器（Microprocessor，如ARM、MIPS和PowerPC等）、記憶體、周邊（Peripherals）、互連機制（如AMBA），和一些特殊用途的元件；軟體方面則包含有Firmware和OS等系統軟體。另外多核心是本技術主題的重點，所以這個基礎平台必須要能支援多核心的架構。本技術主題的目標之一就是要建立一多核心的系統晶片的開發平台，藉由修改這個平台架構或增加應用所需的特殊元件，就可以很快的得到符合某種應用和效能需求的多核心系統架構，以節省開發時間。

《圖三　Motorola MXC硬體架構圖》

產業效應

本技術主題預期的產出有下列五項：

本技術主題研發完成後，對國內的產業界可以有下列兩項助益：

進入系統晶片的時代後，系統層級的設計和驗證在系統晶片的設計流程中扮演一個相當重要的角色，藉由本技術主題可以建立一完整的系統層級設計和驗證流程，補足現今系統晶片設計流程中不足的地方，並可移轉給國內的IC設計服務公司。

目前市面上的行動通訊設備，如個人數位助理（PDA）和手機等，都是採用國外大廠的解決方案，如TI的OMAP等，因此，本技術主題所發展的多核心系統單晶片平台架構可以技術移轉給國內的系統製造廠商，以減少其開發成本和時間。

未來發展方向（Roadmap）

本技術主題的未來發展方向如(圖七)所示，先期先建立一個微處理器加數位訊號處理器的雙核心平台架構，接下來再加入一些功率管理的方法，以期減低整個系統的功率消耗，達到省電的目的，而最終的目標是建立一個可重新配置（reconfigurable）並低功耗的多核心平台架構。

《圖四　多核心系統晶片平台架構之未來發展方向》

結論

多核心系統晶片系統架構除了可應用於下一代行動通訊裝置的開發，也可以使用在如纜線數據機（Cable Modem）和機上盒（Set-top-box）等裝置的研發上，可以說是未來資訊設備開發的一個基礎平台，由此可見其重要性。所以本技術主題的研發刻不容緩，有了這項技術，就能在未來的資訊設備開發方面，特別是下一代的多媒體行動通訊裝置中扮演舉足輕重的角色。

（作者為前工研院系統晶片中心系統晶片整合技術組硬體技術部工程師，本文轉載自《系統晶片》期刊001期）

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