行動通訊市場正邁入快速變遷的時代，新服務的問世衍生出對新應用與新功能持續攀升之需求。手機使用者要求產品必須提供真正的行動力，因此對於手機的尺寸或耗電率要求日趨嚴苛。這正是新一代手機與矽元件製造商所面臨的挑戰，光是利用單一處理器來執行所有手機軟體已無法應付實際的需求，因應製程不斷推陳出新，針對軟體進行測試與檢驗已成為設計工作的重要階段，手機的上市時程更成為影響成敗之關鍵因素。

多功能與新應用對手機設計之挑戰

就短期而言，可運用多組應用處理器發展出的過渡性解決方案，卻必須承擔大幅增加的耗電率、更短的電池續航力以及增加的零組件成本（BOM）。運用一組高效能核心處理通訊協定與各種應用的單處理器模式，亦面臨耗電率的挑戰以及軟體複雜度等方面的問題。

將各種新應用或新通訊功能加入這類系統已成為測試與檢驗工作的惡夢，不僅讓研發時程延長數個月的時間，更讓各種衍生機種的研發工作須耗費大量時間與成本。轉移至效能更高的新核心意謂須大幅改寫與重新測試程式碼，讓研發工作的時間大幅增加。

軟體是影響手機研發時程的一項重要因素。縮短各元件的研發與測試時間，可大幅地降低縮短產品上市時程以及獲利時間，但手機廠商亦須滿足電信業者對於新功能與新使用者介面的各種要求。軟體研發與測試是手機廠商的一項重大課題，它的重要性媲美程式碼是否能重複使用，而客制化與可修改的彈性之重要性則和系統的其它部份一樣等而次之。變更一顆高效能處理器中的任何一行程式碼，都須全面重新測試與檢驗整體系統。

針對系統各個部份使用多組處理器核心，不僅能克服軟體研發方面的挑戰，並能讓耗電率遠低於使用獨立應用處理器的手機。一套軟體與硬體架構設計完善的系統，將所有處理與週邊元件整合至單一晶片，能降低手機設計的複雜度，故能降低零組件數量、製造成本、硬體測試成本，同時加快手機本身的上市時程。

選擇一套業界標準的處理器架構搭配可合成、可擴充的核心方案，讓整個架構能在現今與未來皆能提供最佳的效能，滿足各類設計的需求，並維持軟體的相容性。再加上軟體研發方面的優勢，這套模式將為手機研發業者與電信服務業者提供各種重要的優勢。

新一代行動電話硬體架構實例

以(圖一)的行動電話架構為例，該架構結合一組專屬的通訊引擎以及一組獨立應用處理器，透過共用記憶體與各種週邊元件串連成單晶片。這套架構能擴充應用效能以及載送技術（bearer technologies）。因此，當載送技術從GPRS升級成EDGE與UMTS，並升級至新型的高速下鏈封包存取（High Speed Data Packet Access； HSDPA）通訊協定時，通訊處理器可配合進行升級，且不會影響應用處理器。同樣的，應用處理器亦可進行修改，以支援MP3、影片播放以及影音通訊等應用持續成長的多媒體處理需求。這種模式能重複使用現有的元件且不須重新設計整套架構，實現個人頻寬的願景。

2.5G GPRS/EDGE系統中內含一套成熟的通訊引擎，以及內建DSP16K數位訊號處理器以及ARM處理器。DSP引擎負責處理通訊鏈結中的即時元素，而ARM元件則處理高階通訊協定層。

《圖一　Agere“ Vision”行動電話架構》

這種架構與單晶片模式有顯著的差異，在單晶片架構中，所有應用都是由同一顆處理器負責，處理器也須處理通訊鏈結方面的作業。這種模式讓處理器以及其記憶體子系統承受極大的負荷，所有應用軟體須經過全面的測試，並達到極高的可靠度，才不會影響手機的通訊品質。例如，在應用層發生緩衝區滿溢可能不會影響特定應用，但卻會對通訊層面造成斷訊的問題。

應用處理器

在圖一的行動電話架構中，由一顆獨立處理器負責執行各種應用，其中包括高階作業系統。這種可擴充的架構讓各種衍生系統能進行最佳化調整，以達到高效能，讓ARM應用核心能為各種手機提供更廣泛的多媒體支援。該架構亦支援每秒傳送30個畫格VGA解碼機制以及MPEG4/H263影片的編碼能力、 VGA彩色螢幕、Q-VGA副螢幕、500萬像素的數位相機功能、2D/3D繪圖以及3D立體聲喇叭等功能。這套功能強大的組合，為各種應用提供一套理想的平台，包括MMS多媒體簡訊、WAP網頁瀏覽、Java遊戲以及影像電話等。

各處理器之間透過共用記憶體作為傳輸介面，並透過處理器控制單元（PCU）提供存取仲裁機制；這套機制能管理3組處理器在記憶體存取以及資料傳輸方面的作業，讓通訊引擎與應用處理器使用一套共用記憶體，能省下可觀的零組件成本，成本遠比低於需要為通訊與應用處理器單獨配置記憶體的架構。

耗電管理

將所有處理器整合至晶片內部可大幅提升耗電管理的效率；不須透過晶片外部鏈結管道與應用處理器交流資料，就能省下可觀的電力，I/O區塊是耗電量最高的元件，因此避免使用晶片外部通訊鏈結，加上使用晶片內部的記憶體，就能大幅地降低降低耗電率。時脈產生單元能在元件中提供重要的功率管理機制，可透過通訊核心中的功率管理軟體來控制耗電率，並利用在應用核心上執行的程式，提供不同等級的功率控制。透過整合性的設計、功率管理、加上製程技術，至少可節省一半的耗電率，因此能大幅降低行動電話的待機與通話時間。

獨立處理器在沒有使用時可降低耗電率，這種模式亦代表運用省電型處理器（power-efficient processor）來執行大多數時間所使用的功能，而不需運用高效能處理器來執行其它電話功能。為了讓運用單一處理器同時處理通話功能與各種新型多媒體應用時能達到相同的效能，必須運用時脈超過250MHz的高性能處理器。這方面亦須轉移至其中一種高漏電流的矽元件製程，在待機模式下會耗用更多的電流，進而大幅降低縮短電池的續航力。一旦有漏電的狀況發生，即使處理器沒有運作也會耗用電力；在行動電話方面，待機模式的比率約佔去所有時間80％。當然多重核心的模式較為簡化，ARM與DSP16K核心具備完全可合成的能力。

支援持續演進的應用

新一代的行動電話架構亦允許其它週邊元件嵌入至模組化設計中，且不會影響應用引擎或通訊引擎，讓業者較容易開發各種衍生型機種。目前開發出的裝置內含USB OTG等週邊元件，以及UART、GPIO、SSI等標準資料介面，由於本身具有可延伸性，新一代的架構允許整合效能更高的核心作為應用處理器，藉此整合需要支援更先進多媒體應用的裝置，同時保留基本的通訊引擎。

此外，新架構的一項關鍵特色，就是當效能水準足夠時，能擴充通訊引擎，藉此提供更高效能的通訊功能，例如雙模WCDMA、GSM/GPRS/EDGE以及即將發表的HSDPA通訊協定。單晶片、多重核心的處理器屬於數位基頻元件，可搭配混合訊號元件處理，例如系統功率管理功能、與無線電子系統之間的介面、LCD與揚聲器的控制以及其它混合訊號區塊。為這類元件選擇像是最佳化混合訊號等合適的製程，是壓低系統耗電率的重要關鍵；而透過封裝技術整合所有元件，也能藉此節省機板空間以及元件的處理成本。

相輔相成的軟體架構

從軟體的角度來看，從專屬的通訊引擎中區隔出各種通訊元素，確保業者能直接重複使用眾多成熟且能立即生產的即時程式碼。這種設計與單處理器模式有極大的差異，單處理器模式的通訊堆疊必須整合其它應用，因此大幅增加軟體研發時間以及手機檢驗的時間。

《圖二　Vision行動電話軟體與工具架構》

以(圖二)架構為例，該架構程式碼支援四頻（800/900/1800/1900）GSM 系統，以及所有四種語言編/解碼器──半速、全速、增強型全速率功能（enhanced full-rate；EFR）以及可調式多重速度（AMR）。讓一套手機設計能應用在全球各地，並讓像是Wideband-AMR這類研發中的新編/解碼器能支援在未來新世代的W-CDMA 3G手機。

DSP能處理底層的Level 1通訊協定堆疊，處理設定的細部步驟、以及針對通話資料進行切割與編碼處理。ARM能處理Level 2與Level 3通訊協定、無線電資源管理、行動與來電管理，加上一組小型的軟體層，做為與應用處理器之間的溝通介面。

音效處理

雖然通訊是最重要的功能，但DSP亦可用來支援其它功能，其中最重要的就是音效。圖二的架構能使DSP16K支援各種音效功能，例如44Kbit/s雙聲道高傳真音效解碼，這項功能在智慧型手機上已經愈來愈為普遍。

將多重處理器整合至晶片的一項關鍵優勢就是省電。通訊處理器子系統以及應用處理器之間的通訊結構，亦有助於節省耗電。這個通訊架構是運用一套共用的記憶體，並由通訊處理器負責控制，若是使用分離元件就無法達到省電的目標。

先進的簡訊

這種設計讓處理器之間能採用新的通訊模式。以往應用處理器都是透過AT指令與通訊子系統進行通訊。這些技術是現今電話最成熟、最可靠、且最有效的通訊管道。但隨著系統要求的效能持續攀升，加上耗電率的因素，使得這些指令愈來愈無法滿足產品的需求。其中一項最重要的缺點就是系統僅能以序列模式處理AT指令，且必須處理完一組指令後才能接著處理下一組指令。這種模式讓應用處理器浪費許多執行週期。另一方面，指令本身也存在一些問題。例如，要從資料模式切換至指令模式須使用+++指令，然而若資料流中出現+++這個字串，系統就會切換至指令模式，導致資料流的傳輸被迫中斷。

AT指令本身沒有封包或IP位址的概念，因此須加入點對點通訊協定（PPP）以支援網際網路的連線，但卻因此增加延遲的時間。像是EDGE與UMTS等這類需要新AT指令的新功能，不僅處理繁瑣且需要從頭開發出一套新介面，無法重複使用現有的技術，並且會延長研發與客製化的時間。例如Class 10 EDGE提供200Kbit/s 的下載速度以及100Kbut/s的上傳速度，是GPRS資料傳輸率的3倍。

目前有一種處理器之間介面問題的新解決方案──Advanced Messaging Interface （AMI）介面；這套技術運用共用記憶體介面，在GSM通訊協定層的頂層建置一套訊息通訊協定。指令可透過事件驅動機制以平行的模式同步處理，並在處理完指令時通知控制器。

這種設計不僅速度快、省電，亦能讓系統中不同部份能切換至睡眠模式，直到事件完成或是發生新事件為止。這對於封包型鏈結環境尤其有效，因為系統能在封包傳輸的間隔之間切換至睡眠模式，不必像PPP鏈結一樣維持正常運作模式。

應用架構

在應用處理器方面，新一代的應用架構，能作為功能呼叫或是函式庫，以支援各種高階作業系統，包括Symbian、Windows Mobile、PalmOS以及嵌入型Linux。這套架構亦可用來建置各種環境，包括OpenWave、Esmertec以及Savaje在內的業界領導供應商皆已採納這套架構。這套核心亦能處理像是GPS衛星定位、3D繪圖、MPEG-4影片、藍芽網路以及AAC （Advanced Audio Coding）格式的壓縮技術與MP3音效等功能。

Java則是透過許多協力廠商提供的Java引擎，在應用架構中建立支援能力。像Esmertec提供的引擎就已預先整合至架構中，運用各種功能呼叫，並透過AMI來存取不同處理器中的各種功能。這種設計能支援最新的Java Technology for the Wireless Industry （JTWI）技術，從已應用在現今手機中的MIDP2與Connected Limited Device Configuration（CLDC）1.1規格中進一步升級。JTWI內含支援無線簡訊的JSR120、支援Java遊戲的JSR135以及一套多媒體API。

目前已有業者可運用其在發展軟體與矽元件的經驗，協助現有的手機廠商運用這類軟體、作業系統以及Java環境，開發成針對應用處理器進行最佳化設計的預先整合解決方案，不須再將協力廠商的應用產品整合至系統。這種模式讓手機研發業者能專注於開發本身的應用與提高產品的價值，毋須花費時間在整合協力廠商的環境。

客製化

客製化已成為手機研發業者與客戶的一項重要需求，手機研發業者需要一套能客製化的平台，針對世界各地不同的區域以及每個區域中不同的電信業者，開發出量身訂製的方案，並能針對不同的客戶群設計適合的使用者介面。目前這方面的工作雖然耗時費力，但絕對是可能的工作。

新一代的行動電話架構提供一套「品牌中心」，影像資料可以被儲存至一套通用軟體研發模型。這種設計讓業者能自行設計操作介面的架構，以及呼叫出商標影像等相關資源。除了變更手機的色彩與字元外，這種模式亦能幫助業者輕易地變更功能表的結構，以配合電信業者的服務以及優先順序，這種客製化功能亦可被零售商所運用，在手機中加入最新的螢幕保護程式或廣告圖像，大幅降低存貨控制的風險、以及電信業者與零售商面臨存貨過剩的機率。而以上皆可透過先進的研發工具達成，支援設計、生產以及測試等方面的工作；這些工具可應用在整套設計與支援硬體上，支援商業層級的模擬與客製化。

此外，透過參與Field Type Approval（FTA）、Global Certification Forum（GCF）論壇的測試以及PCS Type Certification Review Board（PTCRB）委員會等機構，並與全球各地的電信業者合作進行實地互通性測試，亦能累積相關知識，了解互通性測試、不同基地臺供應商之間的差異以及如何滿足手機所有層面的需求等要素。

結語

模組化的設計為行動電話業者提供了極可觀的助益，業者已改良通訊引擎上的軟體以滿足技術規格的要求，並維持不同系列機種的一致性、降低研發的風險以及縮短手機的上市時程；這些手機都會行銷至世界各地市場。這些目標都可透過多重核心架構來實現。這種架構透過單一晶片提供低耗電、以及降低零組件成本等利益，並將應用處理器與即時通訊子系統加以區隔，藉此帶來軟體研發以及檢驗等方面的優勢。

具備豐富經驗的晶片業者，能讓手機廠商移植現有最佳化且通過測試的軟體，藉此縮短產品的上市時程，並可運用協力廠商推出的各種可立即投產、與預先整合的環境，讓手機廠商藉由開發應用軟體，為其手機融入更多的附加價值。而各種工具讓業者甚至零售商均能輕易對手機進行客製化，進一步突顯產品在市場上的特色。（作者為 Agere Systems行動終端IC行銷總監）