2004年智能手机设计方略与平台扫描

业界人士几乎都清楚，智能手机的前景绝不是为了产品升级和差异化而玩弄的一个噱头，未来，这种随身携带的“玩意儿”将成为身份证、银行卡、名片、信息终端、通讯终端、控制台甚至工作证、通行证而不离人的左右。对于电子或广义的信息厂商来说，正如不做电脑在消费电子领域将无法立足一样，不做智能手机的厂商将失去一个十分重要的业务支柱。智能手机代表着他们的未来。因此，本着先入为主的思想，每个厂商都不甘落后。2004年被认为是智能手机市场圈地的开始，一场设计运动正在厂商的后院紧锣密鼓地进行着。但早起的“鸟儿”未必多吃虫。在智能手机的诸多问题尚未解决之际，早起的“鸟儿”更容易掉进陷阱。如何在过渡期切入市场又不落入陷阱，又是一个战略加战术的难题，比如平台的选择、产品的定位以及结构、造型和功能的规则。希望通过本文，向设计者们就智能手机的发展策略和设计原则提出一些仅供参考的贴士(tip)，同时全面介绍各平台供应商产品的主要特点。
　　硬件平台上的“软功夫”
　　平台供应商们关于智能手机平台选择标准的回答虽然有些偏向性，但总体来说，诉求点都相差无几，一般包括以下几条：
　　1． 平台开放、易于集成；
　　2． 符合行业标准、有良好的兼容性和互操作性；
　　3． 性能好，集成度高，成本低；
　　4． 提供完善的开发工具、缩短研发和生产时间；
　　5． 有良好的伸缩性、便于修改和升级；
　　6． 功耗越低越好；
　　7． 积极快速的现场、在线技术支持；
　　8． 最好有庞大的第三方开发网络和大量的软件资源。
　　有的公司还将灵活的商业模式、市场业绩表现、安全性、清晰的发展路线列入选择标准。
　　表面上看，供应商都将自己说得一大二全三精四公(规模大、品种全、性能好、全面开放)，但略为分辨还是有相当大的差别，厂商的策略也不尽相同。比如，每一家都说自己是开放的，但TI、摩托罗拉做得更好些。有的厂商虽然参加几乎所有标准组织，但热衷于成为标准的主导者，并建立封闭的联盟关系。ARM公司以真正的开放和协作精神成为处理器架构的业界标准，其模式的确值得想成为业界标准引道者的厂商们借鉴。
　　一些厂商不大认同“智能手机将是以应用为主导的市场”这一说法，认为技术仍有主导作用。就硬件平台来说，目前厂商之间的确有相当大的差别，在性能、效率、灵活性、配套能力等方面各有特色。但未来如何呢？一种看法认为目前的技术水平与手持设备所要求的性能与功耗、成本和体积的比值还相差甚远，这意味着未来的技术竞赛还有很长的一段路要走，因此掌握先进技术和工艺的厂商将继续保持优势。另一种看法认为，半导体技术已接近极限，同时先进技术会通过授权为业者普遍获得，比如大家都能得到优良的ARM处理器内核和最先进的晶圆厂代工服务，因此，将来硬件平台将会趋同。
　　这后一种趋势从另一角色看得更清晰。在回答“作为硬件厂商，你们如何在软件方面帮助客户实现产品差异化”的问题时，出人意料地，这些以提供芯片为生的厂商都否认自己是单纯的硬件厂商。从网站到提供的资料，厂商们都把开发工具、软件资源、开发支持当作重要的组成部分。一些核心厂商还把凝聚第三方开发者的开发社区当作十分重要的经营手段，为厂商的方案增加源源不断的技术资源。来自飞利浦半导体的一份资料提到，在2G系统方案中，硬件开发成本占80%，软件占20%；而2.5G系统方案中，硬件占40%，软件占60%；至2005年，手机系统的硬件成本将仅占20%。未来硬件和软件之间将怎样进退取舍还很难猜想，但硬件厂商的“软功夫”已是不可忽视的又一项选择标准。
　　当然，选择平台不是根据几个硬性指标即可完成，还有开发商自己的偏好。比如，中国科学院计算所移动通信技术研究中心（MCR）就选择日本的瑞萨科技公司作为合作伙伴，理由是日本在消费品方面非常精到，可以做出更有消费品味儿的产品。
　　跨平台软件
　　如何选择操作系统和软件开发平台是另一件颇费思量的问题。如果英特尔的产品非要与微软的产品捆绑，那么你选择了英特尔，也就只能选择微软。但目前几大操作系统势均力敌，前景难料，若同时在几大操作系统上展开研发，这不是中国本地厂商能够承受的。
　　在标准和开放性方面，开放移动联盟(OMA)尽管吸收了几乎所有相关厂商参加，但似乎难有更大的作为。目前唯一达成一致的是几乎所有硬件平台和操作系统都支持Java编程，包括最不情愿的微软操作系统。笔者虽对Sun公司推出的Java语言和J2ME开发平台尚未有精深的研究，但十分着迷于它的咖啡杯图标和跨平台应用能力。虽然Java虚拟机会消耗一定的处理器带宽，但随着处理器性能的提高，这一弱点就会消失。开发商可以放心地编写Java应用程序，不论将来硬件厂商或者开发商本身搭配哪一个操作系统，这些Java程序都可以纵横驰骋，不致浪费。目前，智能手机的数量还很少，不兼容的问题尚不突出，但是当用户数量达到一定水平后，必然会有强大的跨平台通讯和交换数据的要求，那时Java程序的流行将不可避免。不过，将来SUN公司也有可能干脆自己推出一个用于手机的Java操作系统，那时已成为行业编程标准的它是天使还是恶魔又很难说，这是后话，但至少目前SUN已在到处推销它的Java桌面操作系统了。
　　再论功耗瓶颈
关于“电池能量紧张的问题是否会成为未来智能手机进一步发展的瓶颈”，平台供应商门都没有正面回答，只是陈述如何改进。比如TI倾向于采用DSP硬件加速技术来代理软件处理从而降低功耗，Intel与ADI的合作产物“微信号架构”则通过动态调整时钟和电压实现动态电源管理。
　　但不论怎样改进，“功耗”都是一个挥之不去的阴影。不难发现，手机在节电方面已取得的改进都体现在待机时间的延长，而通话时间并无本质差别，都在二小时左右。实际上，目前省电的空间都在减少“浪费”方面，而运行状态下省电的潜力并不大。这意味着待“浪费”的功耗都被省下来之后，节电之路差不多就走到了尽头。而在提高电池能量密度方面，虽然各国都有巨量资金的投入，但短期内还见不到实质的进展。这种情况下，我们不妨多指导用户如何更合理地使用电池。比如，消费者都被教育说，锂离子电池没有记忆效应，但在实际使用中，笔者分明感觉到锂离子电池也有记忆效应，并且多次听到他人有同样的抱怨。在说明书中指导用户如何利用两块电池轮换使用、使每块电池在每次循环中都得到充分的放电和充电更有实际意义。此外，配一个可放入标准电池的外接电池盒也是不错的想法，这种电池盒成本很低，却能够解燃眉之急。
　　关键的功能定义
　　中国3G牌照迟迟没有发放，这应该是件好事。因为2.5G还没有用好，要3G又有何用呢？智能手机是PDA与手机的融合，因此将计算能力与通讯能力有机地联系在一起是融合的关键，否则PDA与手机就没有合并的必要。但目前的智能手机除了地址薄与呼叫和接收电话的功能结合得比较好之外，其它的就乏善可陈。虽然可以接收电子邮件，但只能使用固定的邮箱。虽然也可以访问WAP网站，但全世界的WAP网站也屈指可数，而且大部分与你无关，更不用说智能电话的屏幕太小，看起来累眼。
　　业界似乎从一开始就将智能手机宣传为信息终端和多媒体终端，这可能是一个误区。智能手机目前的屏幕尺寸、电池支持时间及运算能力距离理想的信息终端和视频终端都差得远，可供使用的信息和视频资源也少得可怜。智能手机其实是个高不成低不就的东西。因此必须为它赋予合理的、不高不低的使命。非要在智能手机上装一个玩具式的几十万像素摄像头并不明智，因为买得起智能手机的人都会拥有一部相当不错的数码相机。如果将这种摄像头与普通手机结合成一种所谓的多媒体手机更能迎合那些还没有数码相机的消费群体。
　　此时不如将手机定位为桌面电脑或笔记本电脑的延伸。比如，智能手机的输入始终是个瓶颈，如能方便地将从电脑输入的文字转移到智能手机内的各个数据区(如待办事项)一定受广大白领和金领的喜欢。日常的数据转移通过红外口和线缆会非常麻烦，既然已有2.5G的GPRS，为什么不充分利用呢？
　　将智能电话看成个人移动设备的智能连接中心也能解决用户的许多实际问题。在智能手机上安装USB OTG接口并配上相应的软件，可以解决移动中不同存储介质之间的文件转移。比如，由智能手机访问数码相机的存储器，将照片文转移到标准U盘甚至外接式硬盘上，可以彻底解决数码相机存储量不够的困扰。
　　外观设计：找个好卖点
　　最近，有国内厂商推出一两款折叠式智能手机，其外观与普通折叠式手机相差无几。虽然这种机型价格偏低，但仍然怀疑它的前景。手机作为经常在公开场合使用的“个人专属物品”，在一定程度上已成为所属人的“标签”。虽然很多人都说，手机只要实用就好，其实是找不到“好标签”的无奈之词。这个标签可以是艺术标签，也可以是财富标签。不过，一般国内消费者对于产品外型的艺术性仍缺少鉴赏力，因此在细节上下功夫的确是吃力不讨好的事。但走财富标签的路子却可以事半功倍：为产品赋予明显的造型特征并与特定功能相联系，然后定一个高端的价位，使得用户在公开场合使用时抢到旁人的一些眼球，这样的机子对用户来说就算是物有所值了。比如超大屏幕式的智能手机，虽然笨重，但依然好卖。注意，此时功能可能只是幌子，但作为一种名义或借口却不能没有。
　　未来的理想模式
　　智能手机的配置方面有一个逻辑上的矛盾：一方面我们希望它很小，放在袋中和耳边都很顺手，另一方面，我们又希望它有足够大的屏幕，这样显示与观看都更为从容。与技术和商业上的矛盾不同，逻辑上的矛盾是无法解决的。
　　看起来PDA和手机也许本来就不应该合为一体，将它们用蓝牙一类的短距离无线方式连接起来又如何呢？打电话用手机，查信息用PDA，PDA通过手机实现接入，手机也可获得PDA中电话号码之类的数据。两样东西放在身边任何地方即可随时相互调遣。而且两个设备还可分别与其它蓝牙设备互连。这种若即若离的分离式方案岂不妙哉？再算一下价格，假定单独的PDA为2000至3000元，单独的手机为1000至1500元，蓝牙链路200-300元，合起来就是3000至5000元。笔者与多人讨论这样的方案，都认为可行。这会不会成为未来的理想形式？

　　部分智能手机平台供应商扫描
　　关于智能手机开发平台的介绍已有很多，但多数是根据厂商提供的资料改编而成。厂方总是把自己的平台说得一大二全，反而埋没了其真正的特点。本文根据采访、参考资料及笔者的判断，将部分主要硬件平台厂商的方案重新梳理，着重突出他们的特别之处，以使我们的工程师读者在短时间内对平台供应商的阵营有个大致但清晰的了解。
　　此处所提的平台供应商指能够提供智能手机应用处理器及整套设计方案和开发资源的部分主流厂商。
　　德州仪器(TI) - OMAP系列
　　一般基带模块处理实时任务，应用处理器处理非实时任务。两者在功能上是分开的，但在芯片设计时仍然可以集成在一个芯片上。我们认为未来的发展趋势是功能上分离，制造上集成。
　　——德州仪器（TI）公司中国无线通讯产品总监周乘云
　　TI公司在基于DSP技术的数字信号处理方面堪称翘首，并广泛应用在包括有线和无线的通讯与互连在内的各种芯片中，近年来市场业绩相当不错。在智能手机应用处理器的DSP和CPU双核架构中，TI以DSP优势弥补了CPU方面的弱势，因此与Intel相比，虽然主频速度不太高，但总体表现仍然优秀。TI的另一特点是拥有广泛的并且性能较好的周边器件，如WLAN、USB及其它通用接口芯片等，因此能够自主建立完整方案。在全球10大OEM厂商中，有8家采用了TI的无线技术。到目前为止，TI公司已累计销售了10亿颗基带处理器芯片。
　　OMAP(开放式多媒体应用平台)是TI公司针对无线市场推出的一系列针对便携设备的多媒体处理器，应用并不限于手机。OMAP系列处理器一般拥有双核(DSP和ARM)结构，除具有“性能/功耗比”上的优势之外，还提供丰富的外围接口，支持几乎所有流行的有线和无线接口标准。
　　TI公司的OMAP芯片分为两种类型，一是专门的应用处理器，没有集成基带功能，另一类则集成了基带处理器的数字部分。
　　各产品性能见表1。

　　TCS2600是TI目前主推的、以OMAP730处理器为核心提供的整套智能电话解决方案，可实现安全的移动商务、多媒体游戏与娱乐、定位服务、流媒体、更高速Java处理、web浏览、增强的2D图形、支持所有主流操作系统以及其他众多应用，总体占板面积约为53×31平方毫米，和其他的具有相同特征和存储器的方案相比拥有较低的成本。另外的一个特点就是极低的功耗，能够极大的延长电池的使用寿命。该方案可以升级支持EDGE协议需求，面对JAVA需求，采用了对JAVA的硬件加速并集成了 USB，SD/MMC/SDIO，Bluetooth，802.11 high-speed link，Fast IrDA 等外设。TCS2600的其它特点包括以关闭电源睡眠模式延长电池寿命和待机时间、立体声音频输出、支持四个频段、高级加密算法等。
　　TI以OMAP开发商网络、DSP第三方开发网络、软件库、支持所有开放操作系统及JAVA来支持用户的开发。“OMAP技术中心”提供多方面知识、资源和开发工具，包括Innovator Development Kit、JTAG仿真器、Code Composer Studio集成开发环境及第三方软件平台和开发工具。
　　英特尔 - PCA系列
　　英特尔最初通过DEC公司获得StrongARM技术，后来经过速度和功耗方面的优化后，形成XScale移动计算技术，目标是提供企业级移动计算能力。而PCA(Personal Internet Client Architecture，个人互联网客户端架构)则是基于XScale、针对智能手机之类个人手持设备开发出的应用处理器系列，最初为单纯的应用处理器，近期又推出整合数字基带的产品。PCA顾名思议强调对互联网的访问和内容处理能力，特点是时钟速度高，但一般认为功耗也相对地较高。
　　产品系列：
　　1． PXA255，200/300/400MHz，单纯的应用处理器，不包括基带功能，只提供基带接口。较以前的PXA250产品增强了视音频解码性能，功耗比以前产品减少了60%，支持MPEG4视频解码、语音及手写识别、Java解释等、蓝牙中频，外接存储器。
　　2． PXA260/261/262/263系列，200/300/400MHz，比PXA255进一步增强了多媒体性能，采用堆叠方式将存储器整合于一片封装内。以上两款处理器是目前应用较多的产品。
　　3． PXA800F，最高312MHz，专门针对智能手机的、将基带功能与应用处理器整合的完整芯片。采用在片闪存、SRAM及Intel Micro Signal Architecture(与ADI公司开发的一种结构，将DSP和处理器技术更好地融合在一起，并有动态调整时钟和电压的电源管理能力)。支持四频带GSM/GPRS无线协议以及广泛的功能、通讯标准及接口。其射频接口可外接数款RF收发器。
　　在开发方面，英特尔提供ARM兼容的应用程序库、开发套件、参考软件，以及通讯、信号处理、数学和媒体功能的底层算法库。支持多种操作系统，但一些软件资源和优化套件明显针对微软操作系统，如Intel PSM文件系统就只能用于微软的WinCE操作系统。此外，英特尔还鼓励采用他们的StrataFlash外接存储器。参考设计包括由PXA800F和第三方的模拟基带、射频收发器、电源管理组成的系统。 
　　英特尔另外还配备一个整合了所有必要接口功能的外围辅助芯片SA-1111，可进一步简化周边电路的设计。
　　摩托罗拉 - i.MX系列
　　我们相信Java将会是一个重要的技术用以连结不同的平台，而且Java可支持开放的操作系统平台的能力更是其重点。
　　——摩托罗拉无线与移动系统部亚太团队
　　摩托罗拉著名的龙珠处理器被应用于全球70%以上的PDA产品及一部分智能手机。后来又采用ARM内核开发出i.MX系列(MX意为多媒体扩展)，目前为主推产品。摩托罗拉一直强调性能与功耗必须取得一定的平衡，不能片面追求高性能。i.MX利用所谓的选择性硬件加速、动态频率控制、直接内存存取通道和时钟门控等设计来提高系统效率，实现以更低能耗完成更多工作的目标。
　　产品系列：
　　1．i.MXL：200MHz，有一定多媒体功能，适合成本敏感型手机。
　　2．i.MX1: 200MHz，ARM9内核，是i.MXL的增强版，除性能比i.MXL提升外，还增加了高速蓝牙接口。
　　3．i.MX2：i.MX1下一代产品，266MHz以上时钟，强化了视频(MPEG4和H.263编解码)/3D图形功能、连接能力及安全性能。提供Jazelle Java加速能力。
　　摩托罗拉自身拥有完整的、智能电话所需的所有器件。i.MX处理器与该公司的Innovative Convergence基本型手机平台(2G/2.5G/3G)配套，即构成完整智能手机系统i.Smart开发平台。
　　此外，该公司还非常激进地计划在2004年下半年推出MXC智能电话整体方案，将以ARM1136处理器内核及StarCoreSC140 DSP内核为基础，将数字和模拟基带、射频收发器、应用处理器、存储器、电源管理甚至射频功放全部集成在一个邮票大小的芯片内。技术细节尚未公开，但从现有资料看，该公司的MXC目标大概是在性能上可与英特尔相比，在集成度上可与TI相比，同时价格又非常合理。若能如期实现，将大大改变智能电话供应商的格局。
　　“在手机市场，传统模式价值链规则已经改变。现时，消费者正在影响服务商，而服务商影响芯片商和生产商。”
　　——摩托罗拉无线与移动系统部亚太团队
　　在开发支持方面，摩托罗拉推出i.Alliance开发商网络，吸收设计公司、软硬件工具提供商甚至院校机构等加入。公司网站上可轻易找到完整的关于基本功能及增强应用功能的设计指导文件。比较特别的是，摩托罗拉还通过i.JV30来加强开发商的J2ME(Java)程序开发。
　　在操作系统的支持上，摩托罗拉最早为Symbian成员,后来手机部门又分别推出基于微软和Linux操作系统的手机，因此对操作系统的支持更全面。
　　WAVECOM-WISMO模块+Emblaze处理器
　　我不认为智能手机是应用主导的市场。在音频、视频及图形处理技术上的任何进展都对智能手机性能有重大影响。
　　——Wavecom（亚太）有限公司北京代表朱海波博士
　　法国Wavecom公司以提供更高整合度的模块方案(WISMO)为特色，开发商只需进行少量的后期设计即可完成多媒体/多功能手机的开发，一种更象多媒体娱乐型的手机。2003年9月，Wavecom公司加入Symbian白金计划，向开放操作系统迈进一步。同年12月，该公司与Emblaze正式合作，以WISMO Pac P5186模块和后者的应用处理器ER452x多媒体处理器配合，将于2004年先后推出F700和F705智能手机开发平台，支持高级的视音频播放及多种网络应用(WAP2.0/MMS/电子邮件/SyncML)等功能。
　　该公司以手机实验室和MUSE平台Open AT开发工具支持客户的开发。作为全球少数几个拥有GSM／GPRS手机协议栈的公司之一，具有提供底层技术支持的能力。该平台同时支持Java开发。此外，该公司的另一个机对机通讯(M2M)实验室将有助于开发商在手机上实验远程控制功能。
　　英飞凌 — S-GOLD基带+处理器单片方案
　　“智能手机的生态已从价值链变成了价值网(Value Net)。合作伙伴的管理成为平台供应商的重要因素。”
　　——英飞凌科技亚太公司安全移动方案部无线产品组副总裁Tan WengKuan
　　英飞凌以S-GOLD单片方案支持智能电话和多媒体手机的设计，包括PMB8870/8875两款芯片，前者为应用功能增强型单片基带(数字基带+模拟基带)，后者则集成了ARM 926内核、DSP子系统及在片SRAM，有Java加速器、动态/静态电源管理，支持多种高级多媒体功能和流行接口，可满足无线互联网多媒体终端和高级操作系统的要求。
　　英飞凌通过两家子公司Danish Wireless Design(DWD)公司和Comneon公司来加强对开发商的支持。前者主要提供移动终端的集成经验，后者主提供协议栈及APOXI(面向应用编程对象的可扩展接口)。APOXI作为一个开发平台，支持人机界面等新功能的开发。
　　此外，英飞凌还提供现成的嵌入式天线及蓝牙和GPS芯片组。
　　飞利浦半导体 — Nexperia移动媒体处理器
　　按照飞利浦半导体公司2003年6月公布的时间表，该公司将于2004年初推出针对智能手机的Nexperia视频/多媒体方案，事实上该处理器已用于索尼爱立信P800智能手机。Nexperia移动多媒体处理芯片包含一个ARM9内核、一个开放DSP内核和用于多媒体解码的硬件加速器，支持多媒体、彩色触摸屏、嵌入式照相机、组织者功能、蓝牙和互联网接入，目前只能运行Symbian操作系统。计划中的Nexperia平台将有两套解决方案，一套方案为单独的协处理器，提供JPEG、MPEG-4、MP3、A/V流及GPS，另一套方案是在基带处理器上集成专门的处理功能，如用于可拍照手机的JPEG图片压缩。
　　飞利浦的方案强调多媒体功能，针对入门级的智能手机。在开发方面，除多媒体基带处理器，还可提供协议栈和应用软件，以及射频芯片组，电源管理单元及射频功率放大器等其它芯片(组)。该公司称，其智能电话参考设计非常完整，提供除塑料件之外几乎所有功能和元器件。
　　Renesas(瑞萨科技) — SH-Mobile处理器
　　2003年日立和三菱电机合资成立的Renesas(瑞萨)科技公司推出SH-Mobile移动电话多媒体应用处理器。SH-Mobile是一种灵活的应用加速器，提供多媒体支援给下一代便携式电话。传统的基带CPU方法是，使用单一CPU来同时控制信号和应用过程。与传统方式不同，SH-Mobile基于其SuperH 32位超标量架构，是双CPU组合(与其它DSP和CPU的组合不同)，其中一个CPU用于应用程序的执行。该处理器能够实现JPEG、MP3、回声消除、AMR编解码、MPEG4编码/解码和Java虚拟机等功能，比较偏重多媒体功能。
　　该公司另提供一款改进型SH-MobileV应用处理器(133MHz)，增加了SH3-DSP内核，提供MPEG-4硬件加速，可以选择性地堆叠128Mb SDRAM。该芯片待机电流只有10uA，可在待机状态下由基带自行控制LCD显示。
　　瑞萨科技与中国科学院计算所在上海的移动通信技术研发中心(MCR)建立合作关系，将于2004年底开发出第一套3G智能手机完整方案。
　　该公司还计划在SH-Mobile平台上实现微软的Windows Media Audio and Video 9和RealNetworks的RealAudio 10和RealVideo 10，如此手机将能够直接访问互联网上的大量多媒体信息。
　　感谢以下人士和公司回答采访问题及提供相关资料：
　　1. 朱海波博士，Wavecom亚太公司驻北京首席代表
　　2. 郑晓军，中科院计算所移动通信技术研究中心(MCR)所长
　　3. 德州仪器(TI)公司
　　4. Tan WengKuan，英飞凌科技亚太公司安全移动方案部无线产品组副总裁
　　5. 摩托罗拉无线与移动系统部亚太团队
　　6. Hideyuki Yoshizawa, 瑞萨科技(香港)有限公司总裁