PMP组件、技术之剖析研究

这是一个随身娱乐的时代，Apple的iPod随身听、SONY的PSP游乐器、能听MP3也能玩Java Game的手机等都是当红代表作，然而近年来又有一种随身娱乐装置新窜起，即是可携式多媒体播放器（Portable Media Player，PMP），PMP结合了口袋型液晶显示器与微型硬碟，可浏览数位图片、播放数位影音，甚至可看电视、听收音机，集多媒体影音于一机。
由于PMP是新创观念的产品，目前尚未有明显的领先者，反倒Apple iPod、SONY PSP已居难撼之地，因此相信PMP市场将成众业者积极努力的新目标，连带的功能竞技自是不可少，本文以下将尝试了解PMP的各种设计实现法、个中的关键技术与组件，以及可能的进阶延伸应用。

CPU
PMP所用的CPU与其他手持装置无异，皆采32-bit RISC设计，且几乎都为ARM架构，如Freescale的i.MX21用ARM926EJ-S，i.MX31/i.MX31L用ARM11，又如Philips的PNX0101/0102用ARM7TDMI，Philips的PNX0101用ARM926EJ，以及TI的TMS320DM270（ARM7）、TMS320DM320（ARM9）等，就连Intel的PXA255、PXA270等也与ARM属近亲关系（XScale强化自StrongARM，StrongARM源自ARM，且依循ARM v5TE指令集）。
　

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图1 Creative、Samsung的PMP皆采Wintel架构，即Intel XScale处理器与Windows CE作业系统。（图片来源：Intel.com）
　

不过也有些例外，如AMD的Alchemy Au1200及Philips的PNX1500，前者用MIPS32核心，后者用Philips多年来的多媒体处理器TriMedia为核心。
　

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图2 AMD Alchemy Au1200是针对PMP、DMA（Digital Media Adaptor）应用而推出的嵌入式处理器。（图片来源：AMD.com）

虽都为手持嵌入用MPU，但核心之外的功能整合更是重点，特别是DSP能力、硬体音视讯解码能力，其次是否具备LCD显示控制及驱动、ATA/IDE介面、USB介面等。如TI皆会在ARM核心之外另提供DSP核心，而ARM926EJ-S与ARM11等也内建DSP指令，Sigma Designs的EM8500则有MPEG-1、MPEG-2 SDTV、MPEG-4 Part 2 SDTV等硬体解码能力，AMD Alchemy Au1200亦具有MEPG-1/2/4、WMV9（Windows Media Video 9）等媒体加速引擎（Media Acceleration Engine，MAE）。


ROM
在ROM方面，现有PMP约使用2MB～32MB不等的Flash Memory（多为NOR型），除了用来储存PMP自身的嵌入式作业系统外，有时也包含音视讯编解码程式（Soft CODEC），以及数位版权管理（Digital Rights Management，DRM）的机制程式，使用Flash Memory也表示日后有机会透过韧体升级方式追加新支援与新功能，或修正过往的执行错误、或更加速执行等。
至于以往常用来储存使用者设定组态的串列式EEPROM，其实在PMP上可以不用，因为PMP基础配备即有硬碟，相关组态可以存在硬碟内，事实上部分的韧体程式（如部分OS、CODEC、DRM等）也可挪至硬碟内存放，以求降低Flash Memory的用量，进而精省成本，不过晶片的安全性与稳定性仍高于硬体，若设计考量上以安全为重，仍会尽可能存于ROM内而非HDD。

RAM
PMP主要在执行音视讯的解码播放，因此需要较大容量的RAM，至少要32MB以上，进一步可至64MB、128MB，而类型上多为SDR SDRAM，部分也提升至DDR SDRAM，如AMD Alchemy Au1200。
比较特别的是，部分的硬体CODEC晶片或视讯/多媒体加速晶片（如Intel 2700G），会采行内建视讯记忆体（On-Die Memory）或额外独立配置视讯记忆体（Frame Buffer）的情形，而不与CPU的记忆体共用，但即便如此也多是采用SDR SDRAM。

Media CODEC
CODEC一词包含编码及解码，但PMP多半仅具解码，除非PMP具备录音、拍摄、录像等能力才会用及编码功能，然这些目前多为PMP的选用功能、延伸扩充功能。
另外，已内建硬体解码能力的CPU即不需要额外连接硬体CODEC晶片，除非是为了补足与增加更多的视讯规格支援，如CPU内已具MPEG-1/2的硬体解码，但不支援MPEG-4、H.264、WMV等解码，这时就必须使用CODEC晶片。
在CPU内建与额外CODEC晶片外，第三种实现方式是软体方案，运用DSP核心搭配CODEC软体，一样可以达到各种音视讯解码支援，且变换弹性更高，但此方式还必须考虑DSP的效能，以MPEG-4为例多半需要140MIPS的执行效能，时脉过低的核心不容易担此大任。
现今提供PMP用的软体CODEC技术的业者主要有Ingenient及Ittiam，前者以支援TI DSP为主，后者则支援ARM7、AMR9、TI DSP、ADI DSP（Blackfin黑鳍）、StarCore SC1200/1400。
由于目前PMP的主流音视讯尚未显现，使得PMP设计者必须尽可能支援各种音视讯规格，包括MPEG-1/2/4、H.264（即MPEG-4 Part 10）、Microsoft WMV（VC-1）、DivX、QuickTime、Real等，音讯上也包括MP3（MPEG-1 Layer 3）、WMA、WAV、ASF等。因此很难完全以内建硬体或CODEC晶片来满足，适时混用三种实现方式是较可行的作法。
此外，无论软体或硬体的音视讯编解码功能，或多或少要支付标准使用的授权费、权利金，只是这个成本已由CPU业者、CODEC晶片业者、或Soft CODEC业者的方案售价所涵盖吸收。

DRM
内容防拷、版权防护也是PMP的重点，尤其以大厂格外重视，理由是易遭侵权告诉。
目前提供PMP之用的DRM技术业者主要有DivX Networks、Microsoft、Real Networks等，且多半只针对自家的影音格式提供防护，无法全面通跨支援，也尚未有明显的业界标准，所以现阶段PMP业者在设计PMP时都尽可能多样与全面地支援各种音视讯标准，因此也可能要对应取得一种以上的DRM防护授权，如此将会增加PMP的产制成本。
取得DRM技术后，该机制是以韧软体型态存在，必须存于PMP的Flash Memory内，对此PMP设计者也必须让Flash Memory预留一定的存放空间。

OS
PMP所用的（嵌入式）作业系统主要是Windows CE或Linux，事实上PMP是宽松的消费性应用，不需使用上QNX、VxWorks等严苛嵌入式控制应用的即时作业系统（Real Time Operating System，RTOS），甚至也可以不倚赖Windows CE或Linux，PMP的作业系统相当简易，不会比数位相机、MP3随身听复杂太多，很多PMP业者也倾向独力撰写开发。
而且，自行开发与使用Linux都不需支付授权费，唯独Windows CE需授权费，但好处可能是对Windows Media有较佳的支援。

uHDD
微型硬碟（Micro Drive）是PMP的必备，也可以说没有它PMP就难以成立，MP3随身听尚可用Flash Memory取代硬碟，然PMP非得用微型硬碟，原因是一部影片的占量动辄数百MB，以Flash Memory方式储存，1GB容量约仅能存1～3部影片，若超过1GB容量则有违PMP的合理卖价，反之微型硬碟至少有4GB以上容量，且价格容量比佳。
微型硬碟泛指碟径低于2.5”的硬碟，包括1.8”、1.0”、0.85”等，主要生产者有日本Hitachi、日本Toshiba、美国Cornice、美国Seagate、中国大陆GS Magicstor（贵州南方汇通世华微硬盘公司）。
　

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图3 Seagate的微型硬碟：ST1，碟径1”，最初为5GB容量，之后有4GB、8GB两款容量。（图片来源：Seagate.com）

　
　

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图4 Freescale提供使用i.MX21 CPU的PMP参考设计，该设计已具备许多PMP延伸功能，如FM收音、TV视讯输出、IrDA红外线传输等。（图片来源：Freescale.com）
　

虽然碟径尺寸上有业界默契，但介面仍相当多样，即便介面相同，为了更适合内嵌运用也出现许多种机械性连接上的变通。目前微型硬碟常见的介面为传统PATA或CF Type II，而Cornice则采自订介面，Hitachi针对内嵌也提出独特的ZIF（Zero Insertion Force）连接器，Seagate亦提供将ATA介面改成软带式连接的Flex ATA、CF with Flex。此外还有ATA over MMC-like的转接介面，以及最新的CE-ATA介面。
由此可知，由于介面与连接方式的不同，设计与生产供货就会较缺乏替换性，而微型硬碟业者相互间也有所兴讼，声称竞争业者侵犯其技术专利，如Seagate告Cornice、Hitachi告GS Magicstor等，使得PMP业者在选用上得格外留心。
另外，微型硬碟的抗震、用电都较Flash Memory差，唯一胜过Flash Memory的是价格容量比，而此方面Flash Memory仍有追赶潜力，微型硬碟因应的方式是尽速迈入垂直记录技术，将价格容量比持续拉升，同时微型硬碟业者也积极强化抗震性，如Cornice已提出CrashGuard技术。
虽然微型硬碟有1.8”、1”、0.85”，但1”、0.85”多在2GB～8GB容量，唯Toshiba 1.8”能达20GB～60GB，现有PMP业者多倾向使用1.8”，1”与0.85”多用于MP3随身听。


UI
PMP的使用者介面（User Interface，UI）包括LCD显示器、喇叭、按钮等，进阶者还有麦克风、线控、触控面板、视讯输出（Video Output、TV Output）等。
PMP用的LCD多在3.5”以上，仅少数使用2.2”、2.6”，高则至7”，讲究的设计甚至会用低温多晶硅面板（Low Temperature Poly Silicon，LTPS），使亮度更佳，本土有统宝光电、达棋产制LCD用LTPS面板。至于背光部分只要寸数不是太大多半用白光LED，许多业者都有推出白光LED的驱动IC。喇叭方面重要的是功率放大器，为力求省电多采D类音效功率放大器（Class D Audio Amplifier）。
至于按钮、麦克风、线控都属简易组件，故不赘述，但触控面板（Touch Screen）与视讯输出必须留意，就PMP应用而言，4线电阻式的触控面板已足敷使用，价格也低廉，国内有突破光电、富晶通、胜华、文麦、光联、碧悠等达10多家业者投入。而TV Output方面，部分CPU已内建NTSC/PAL视讯编码器（如TI的DM342），可直接将PMP视讯转输出至电视，若无内建则需要额外连接TV Codec晶片（如Philips的SAA7109A）。
　

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图5 Philips Nexperia PNX010x（x=1,2,5）是针对手持式媒体播放所提出的CPU，其中PNX0105使用ARM926EJ核心，支援USB 2.0传输。（图片来源：www.semiconductors.philips.com）
　

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图6 Intel并未针对PMP提出对应的应用CPU，而是以原有PDA等其他中性手持应用的PXA255、PXA270等处理器来支援，图为PAX255的功能方块图。（图片来源：Intel.com）
　


PMU
凡是手持装置就必须重视用电环节，因此电源管理单元（Power Management Unit，PMU）必不可或缺，包括电压转换、省电模式控制、剩余电量侦测，有时也包含充电设计，如从变压器（今日亦惯称配接器，Adaptor）充电、船坞埠充电、USB埠充电等。
有时用电也当与作业系统结合，在闲置超过1分钟可自动关闭，暂停时可降低背光亮度，或纯聆听音乐时关闭显示电路，已达到更智慧性的省电。

传输、连接、扩充
文其他方面还有PMP与PC间的传输同步介面：USB，PMP必然要采行USB 2.0，且须达480Mbps的高传速，否则用USB 1.1的12Mbps来传递大容量的视讯档将相当无效率，更进一步则可考虑支援行动对传的USB OTG，许多PMP用CPU也已内建USB/USB OTG介面，若无则需额外准备。
此外许多PMP也提供记忆卡存取介面，如CF、MMC/SD等，一方面可让其他行动装置透过记忆卡将资料倾到至PMP，让PMP成为数位内容的行动总储槽，另一方面PMP也可透过此介面进行可能的延伸应用扩充，如类比收音（FM）、类比收视（VHF、UHF）、或数位收听（DAB、DMB）、数位收视（DVB）、或无线传输（Bluetooth）、或定位系统（GPS）、或数位摄影（Camera）等。

结尾
内最后，实现技术看似简单的PMP，其实牵涉了关键零组件（CPU、微型硬碟）、授权技术（MPEG-4、H.264、WMV等视讯标准、DRM机制），以及各种手持式装置的新应用技术（LTPS面板、D类放大器、白光LED），除了较不强调无线通讯与媒体编码外，可说是集所有最新掌上型资讯技术于一身。
此外，今日手持式产品市场早进入高热化竞争，不仅产品技术与功能表现要佳，还要有酷炫讨喜的工业设计造型、强势的品牌及活动行销、内容与服务的联手出击（如Apple iPod与iTune，Microsoft XBOX与XBOX Live，SONY PSP上可租看SONY自家的电影，即哥伦比亚公司出品的电影），才在市场上有胜机，否则只是另一项穷苦薄利的代工业务。