http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1B
手持行動裝置的核心(1)
多媒體微處理器的DRM功能革命
蘋果推出的iPod MP3播放器下載音樂的來源只有一個，那就是受版權保護的蘋果iTunes服務音樂。iTunes服務推出第一年就創下7,000萬首歌的驚人銷售量，根 據統計，iTunes服務拿下了美國合法MP3的70％市場。iTunes的成功為音樂製作產業樹立了新的典範，數位版權保護也開始初露鋒芒。
▲軟體數位版權保護解決方案，雖然對於資料保護而言是較快速的解決方案，但也因為容易被破解及增加微處理器的負擔。（圖片來源：Timmins Technologies）
| 廣告 |
■技術解決版權的可行性
數位版權管理DRM（Digital rights management）是保護多媒體內容免受未經授權的播放和複製的一種方法。DRM技術通過對數位內容進行加密和附加使用規則對數位內容進行保護，其 中，使用規則可以斷定用戶是否符合播放數位內容的條件。使用規則一般可以防止內容被複製或限制內容的播放次數。
為了迎合內容供應商的要求，在資料保護方面的技術，加密技術分頭從軟體以及硬體方面發戰。對於行動用戶，數位版權保護的實現方式大體有三類：即晶片解決方案、SIM卡解決方案和軟體解決方案。
其中對於軟體加密技術而言，雖然對於資料保護而言是較快速的解決方案，但也因為容易被破解及增加微處理器的負擔，並且加重了系統的複雜度，所以到目前為止在採用尚未出現全面化的普及。
而晶片解決方案在數位版權管理（Digital Rights Management）上具有天然優勢。一方面，其基於硬體的解決方案具有其他方案所不能比的最高安全性。同時，因為它具有內嵌式的獨立CPU使其不用去爭奪異常寶貴的手機主CPU處理能力。
利用硬體晶片來達到這樣的功能，雖然在整體技術的開發上面，比起軟體加密技術而言相當繁複，但是背後所代表的是不易被破解及容易透過韌體的更新，簡單地達 到升級的目標。再加上，就整體系統設計來說，並不會增加太大的複雜程度，所以目前多媒體用微處理器晶片業者紛紛朝向增加這一方面的能力發展。
在幾年前所出現的MP3版權衝擊，對於音樂業者所帶來的殺傷力至今猶存。因為MP3的技術，使得多媒體檔案在製作、傳播及壓縮上變得相當的簡易，加上所能 保存的音質幾乎可以和CD媲美，此外，再透過網路的能力，讓音樂版權尊嚴破壞殆盡。雖然說，可以將創作利用這樣的模式傳送到每個同好電腦裡，但是對於版權 來說，卻可不是一件好事。
■保護觀念下DRM和DTCP-IP陸續出籠
對於這樣的變化，全球各大音樂業者和技術領導者紛紛擬定因應策略，首先提出的便是「安全數位音樂提議」（Secure Digital Music Initiative；SDMI），在架構上利透過數位版權管理（DRM）的機制來作為版權保護。
事實上，在文件版權的保護技術上，已經有相當多的技術進行，就像Adobe的Adobe Portable Document Format。大多數的內容擁有者都同意，透過軟體防護仍舊有相當多的漏洞存在，唯有將保護機制予以硬體化，才可能提高保護的能力，做到近乎於滴水不漏的 情況，縱使有非法複製的情況發生，複製者也必須付出相當高的代價，兩相權衡之下，讓非法複製者知難而退。
對於這樣的環境，產業界就分別 發展出DRM和DTCP-IP等等的機制。DRM是由包括惠普、松下、Intertrust、新力、飛利浦、三星電子等等40家公司共同組成，組織預計在 2006年年中就能推出底定的標準版本，讓各種使用DRM機制的產品的內容都能夠受保護。
而DTCP的部分，在2006年4月發表可以支援一種或者多種連接級版權保護的標準，包括基於IP的數位傳輸內容保護（DTCP-over-IP）。
■加密的內容應儲存在哪裡？
回頭看看目前手機的功能性，就技術上而言，將包括MP3音樂、影像遊戲、電影短片、電視廣播等能力整合於單機內並不困難，但是，至今為何消費者仍舊無法利用手機享受這些多采多姿且豐富的內容，而大多僅是使用了照相功能這樣而已。
其實說穿了，也都是安全性考量影響了內容開發意願，使得具有高流量傳輸效果的蜂巢式結構的通訊網路僅能發揮一小部份的能力。
由於缺乏了，相關的安全機制來保障手機中有價值或版權的數位內容，或具有高度防護的能力，這是電信業者相當的一個擔憂，若手機的作業系統中無法有效的自我 防護，那麼安全性相當容易受到攻擊，輕微程度或許只造成使用者的手機當機，嚴重的話可能會影響到基地台，甚至機房的安全及流量 控制。
只是一旦這樣的觀念形成後，又會接連的引發另一串的課題需要去解決包括：加密的內容應儲存在哪裡？怎麼受到保護？哪一個零件負責儲存解密內容的密鑰？等等的問題。
▲利用硬體晶片來達到這樣的功能，雖然在整體技術的開發上面，比起軟體加密技術而言相當繁複，但是背後所代表的是不易被破解及容易透過韌體的更新，簡單地達到升級的目標。（圖片來源：Elixent）
▲由於英特爾在Pentium D微處理器中加入了數位版權管理的技術，使得市場上造成了一陣的喧嘩，指責的聲音不斷湧現。（圖片來源：INTEL）
■在基頻或是微處理器中置入DRM機能
目前的手機設計中，最普遍的DRM配置是將其放在基頻或是微處理器之中，就像英特爾和德州儀器所提出的。結合軟體與晶片技術，可以確保DRM安全代理程式的建置，安全代理程式包括了私有密鑰、版權物件、內容解密密鑰與解密內容等。
從整體包括成本及效能來看，應該是最佳方式。但在執行的方式上面各有不同手法 ，有些業者認為，可以將DRM程式先儲存在非揮發性的記憶體中，可以在產品開機或執行的同時，儲存或讀取軟體認證。
不過，對此，也有業者抱持不同的看法，認為這樣是一個非常危險的動作，因為代表著是由軟體來執行安全機制，而是應該將密鑰管理系統置入於晶片裡，而執行的規範才是放在軟體中。
另外，也有業者是採用整合防止修改的保護功能，配合晶片辨識號碼來進行此一機制。當然，除了把機制植入晶片外，還可以放到手機的SIM卡中，來進行，就像包括Axalto和GemPlus等等的業者，都希望能將DRM建置在SIM卡中。
例如，Broadcom在2006年所發表的3G解決方案BCM2152 HSDPA基頻處理器，便是擁有支援DRM機制的晶片。BCM2152內建多媒體支援，還包括500萬畫素相機、在CIF或QVGA解析度下，以每秒30 個圖框的速度進行多媒體的編碼和解碼、64和絃鈴聲，及可支援全雙工電話擴音的整合型音訊放大器等功能之外，提供強力的DRM保護機制。
▲大多數的內容擁有者都同意，透過軟體防護仍舊有相當多的漏洞存在，唯有將保護機制予以硬體化，才可能提高保護的能力，讓非法複製者知難而退。（圖片來源：Western Digital）
而Cirrus Logic也在新推出的微處理器中除了強化音樂方面的處理效能外，同時也加入了DRM的能力， EP7312-90 內含Cirrus Logic的專利MaverickKey技術，提供了可應用在DRM或其它授權機制中的硬體ID。 所以，可以看出DRM已逐漸成為數位媒體播放器的必備條件。
■SecureBlue利用連線方式讓晶片擁有機制能力
在這樣的市場需求之下，IBM在2006年便發表了利用硬體的方式提供晶片加密技術來提高安全性。這樣的晶片技術，相當是用在可攜式產品和行動電話等等上。
IBM 的加密技術被稱為SecureBlue，是可以利用連線的方式（hard wiring）加入任何處理器的核心。 SecureBlue技術不僅僅只是能夠加入現有晶片的模組，它也可以從一開始就加入處理器，與其他各單元組成「類似漢堡」的結構。採用 SecureBlue這樣的技術只需要多增加幾個的電路，加密和解密即時進行，並不需要其他專屬的處理器來運作。
當然並不只IBM，包括英特爾（Intel）和超微（AMD）也正在積極發展Trusted Platform Module技術、和能將加密功能內建於晶片之中的技術，不過，相較之下，似乎IBM的SecureBlue更為簡便，領先了英特爾和AMD現有的加密技術。
所以IBM宣稱，當包括電話、筆記型電腦或者其他可攜式產品一旦使用SecureBlue技術，對於資料安全防護這件事，就可以高枕無憂了，因為當受到攻 擊時也不會洩漏任何秘密。此外，對於數位版權保護的支援能力，也是SecureBlue技術特色之一，提供數位內容更完整的防護解決方案。
■ 數位電視用晶片也導入內容保護機制
就像整體的數位電視架構與技術規格，基本上大多都已經準備就緒，而相關的硬體業者也都積極的展開各項的動作。但就整個市場面來看，推動的速度仍舊有些遲 緩，關鍵在於付費內容的保護，使得內容提供業者一直停留在觀望的態度上。但是這樣的僵局或許有相當大的機會從2006年開始改變。
對於 內容的防護部分，安全視頻處理器聯盟（Secure Video Processor Alliance；SVPA）已經著手規劃並且即將完成內容保護機制有關的工作，並規範了SVP格式這一項機制來對內容進行保護，雖然這個規格與現在的傳 輸方式並不相同，但是影像接收設備經過相當性的調整後，可以作為媒體內容的伺服器，來執行SVP格式的動作。
內容在加密後，可以依照消費者的需求，在不同具有SVP機制上的各項可攜式產品上進行一些功能動作，包括限制複製、有條件複製、完全複製等等。
在晶片上設計SVP機制的複雜度並不太高，整體邏輯閘的數目不到20萬個，利用安全軟體堆疊的運作就可以達到這樣的目的。解決方案的部分， Broadcom在2005年便已發表了適用於Set Top Box產品具有SVP機制的晶片，而在2006更推出了第二代的SVP晶片，此外，像意法半導體也發表了SVP晶片。
■背後一股力量牽制住內容保護機制
完全採用防護能力如此之高的內容保護機制晶片，並非是所有人都看好的現象。事實上，已經有人開始擔憂，這樣的機制是否會阻礙了行動多媒體應用的進展。
就像2005年引起曾經批評風波的英特爾Pentium D的事件一樣。由於英特爾在Pentium D微處理器中加入了數位版權管理的技術，使得市場上造成了一陣的喧嘩，指責的聲音不斷湧現。因為使用者深恐由於英特爾加入了數位版權管理技術後，限制了用 戶在擷取數位資料的能力。
▲由於如果手機的作業系統中無法有效的自我防護，那麼安全性相當容易受到攻擊，輕微程度或許只造成使用者的手機當機，嚴重的話可能會影響到基地台或甚至於機房的安全及流量控制。（圖片來源：Typepad、Globecommsystems）
當然，最後英特爾發言人Kari Skoog表示，Pentium D裡面並未含有數位版權管理技術，才使得風波告一段落。不過，Skoog也有所暗示的說，其實不只Pentium D，目前英特爾有相當多的產品都能與版權保護機制共同運作。
但是，這樣的例子，顯示出了當業界積極的推動版權保護的同時，背後還有一股相當大的力量牽制住，來源包括使用者，及憂心以多媒體應用為業務的業者，這無疑是大大地限制住了多媒體內容的傳播速度與方便性。
多媒體微處理器不斷推動手機功能提昇
就手機的市場發展來看，將會變成有這兩個不同發展，有些消費者的要求是越來越高階，內建相機功能之後、再增加Camcorde、高品質音樂播放能力，甚至可以外接喇叭出來，而低階的就會越來越便宜。
這幾年從手機業者所推出的產品大概可以看到，低階功能手機的銷售量並不會因為市場對於手基功能要求越來越多，而大程度的影響到低階功能手機的市場規模，因 為就今天的市場來看，仍舊是有很多Emerging Market的產生，Low成本的手機是很多人去購買的第一支手機的選擇，所以可以發現到低階的手機價格是越來越便宜。
| 廣告 |
 |
而低階手機將會是越來越便宜，不見得所提供的功能會比較多，但是由於單晶片的整合程度增高，所以成本會越來越低而帶動手機價格越來越便宜，例如，中南美、 非洲，金磚四國這些市場，手機的普及程度還不是相當的密集，大多Emerging Market對於第一支手機的要求，會回到最原始VOICE Only的需求。
因此在2006年的手機預估市場約10億隻左右，大概有超過一半以上是低階的手機，那麼高階手機的部分，因為消費者對 於多媒體的需求越來越多，所以在目前市場上加入了相當多的功能，包括了例如，Wireless、3G的網路等等。可以發現到，一支手機從原來有照相功能開 始，現在也可以聽MP3、可以進行視訊會議，甚至於還可以看電視，添加了很多未來的應用功能。
▲手機將會變成有這兩個不同發展，一方面消費者的要求是越來越高階，而另一部份低階就會越來越便宜。（資料來源：德州儀器）
從好幾年前日本的NTT DoKoMo對於3G所提供的服務，就帶來了很多想法，甚至開始考慮3G到底還可以再提供些什麼樣的功能。事實上，現在已經有很多的不同的應用正在被開發 中，因為不同的多媒體的需求下，目前3G的手機，其實包括對影像、音樂等等的功能在品質上的要求越來越高，演變成高階的手機也有一定的市場需求，就像高階 手機的能力越來越高，照相功能從最早期的VGA等級照相功能，到現在300∼400萬畫素的照相功能，然後再演變到播放MP3時可以提供環繞的感受。
■未來中階手機定位模糊
而反觀中階的產品，當然不盡然會完全的被壓縮，因為在未來中階的手機產品其實會被模糊掉，怎麼被模糊掉？例如，兩年以前VGA照相功能的產品叫高階手機，到兩年以後的今天已經成為低階的入門機種。
其實因為汰換的速度很快，到最後加一個照相功能可能增加不了太大的成本情況之下，很多低機手機發表時就會有一個最簡單的VGA等級的照相功能，所以在過去它叫做高階產品，現在則是被打入低階產品。中階手機產品因為轉換的速度太快，所以很難定義一個很清楚的界線。
就像以目前晶片的角度來看，中階和只有Voice Only的最低階的手機區別，可能製是一些週邊的差別，或者是對軟體有一些不同，對硬體晶片業者來講異並不大。所以假設130萬畫素的產品被定義成中階產 品的話，有時候可能只是外接一個處理MEDIA的IC，或者透過單晶片本身來去做這樣整合，並不需要花費太多的成本，只不過是多一個鏡頭的成本。所以中階 產品並不是被壓縮或者不見，而是市場定義是被模糊掉，比起高階手機的量來說，中階產品已經是少數的量，所以有時候，這個月的中階產品，半年以後就是低階產 品，所以不容易分出來什麼樣的規格是中階產品。
■手機的造型藝術決定銷售績效
其實對手機而言，今天的手機已經不在是以通話為訴求目的了，其實幾乎已經變成一種藝術、摩登的產品。例如Motorola的V3，賣得好全部是最大的因素應該是在外型上，其實V3裡面的功能跟其他很多的手機都差不多，包括User Inte rface等等都跟Motorola的手機是相同，所不同是V3鍵盤很漂亮。所以從這方面可以發現，最後手機賣得是一種造形設計，是一種藝術產品，代表的是流行造型的產品。
在過去，是因為大家都沒有手機，而有一隻手機很開心，一直到現在，擁有手機它不在只是打電話這樣的單一功能，甚至於還可能是一種身份地位的象徵，就像 Motorola Razr的大賣，是因為讓人覺得很輕薄、做的很漂亮，但是第一款Razr的顏色是白色的，整整一年之後才推黑色的造型，隨後才是粉紅、桃紅色，再來才是功 能上提升到3G。
▲因為對於未來的客戶來說，晶片的重點就是在如何減輕客戶對於手機系統設計的負擔，對於客戶來說，會相當的輕鬆，也解決的多重的問題。（資料來源：德州儀器）
可以很輕易的發現到，就是因為這樣的風格才受市場的如此歡迎，造成高銷售量，而不是在於去標榜，這款支Razr是百萬畫素，或是500萬畫素、上千萬畫素的照相手機，標榜只是同樣的外型，但是卻擁有不同的顏色。
還有一個例子就像NOKIA的8820直到現在的價格還是在賣台幣2萬多左右，雖然跟其他NOKIA產品在的使用介面或者特色上面並沒有太大的不同，但是現在還是這樣的高價原因無他，是因為造型和材質，因為8820被設計的相當有質感。
■晶片解決方案需要為耗電作最佳的考量
但是面對未來，手機的功能性還是被要求的，可以想像的到，愈多的功能被加入手機的系統裡，其實對Power是有一定負擔的，因為手機最大的功能是通話，當Power幾乎被消耗在上網或者是照相，而造成一下子就耗盡電力，最後還是會讓使用者
產生很大的抱怨。雖然就整體耗電元件來說，面板可能是最耗電的一個元件，因為需要很多的白光LED讓面板更亮、顏色更漂亮。
所以對於多媒體微處理器來說，這是一個相當大的考量。德州儀器在最近幾年不斷的行銷OMAP的解決方案，為的就是期望能夠有一個既可提供多媒體功能，但又不會對整個手機的電力帶來太大的負擔。
其實對OMAP 2來講，它的架構是包含了兩個CPU，分別是ARM 11以及DSP，那設計的目的，基本上是為了去分散資料的處理，不會讓晶片的頻率有相當高的負荷，也就能減輕一些電源的負擔，例如部分的解決方案的頻率可 能是600、700Hz，通常頻率越高你所需要的耗功就會越大，而採用了ARM跟DSP雙處理器的核心架構，便可以讓耗功 控制到比較低。所以，在晶片這一部份，還是有需要為耗電作最佳的考量。
■OMAP 2又如何與OMAP 3進行競爭？
當然OMAP 2就功能上已經能夠滿足多樣化的要求，但是面對更多更強的多媒體處理要求，OMAP 3的出現來自業界一些高階客戶的需求。OMAP 3最多革新設計是在Video的處理能力，相當多的手機業者目前已經針對3G或3.5G、HSDPA這樣環境積極的設計下一代產品，例如，HSDPA的頻 寬相當更快可以達到30Mbps以上，但是，只有頻寬更快的情況下，當晶片無法滿足進行視訊會議的運算處理，畫面可能會一些Delay或者畫質會受到相當 程度的影想。
所以OMAP 3在Video的處理能力，經過改善後，德州儀器OMAP 3提升到原來OMAP 2的兩倍效率，而頻率可以運轉到更高，來滿足更多的商務用途，處理更高階的作業系統要求，例如Window或是Linux。在這樣的環境下，手機便可以輕 易的滿足當使用者對於應用在看EMAIL，及做一些單的簡報的需求。
不過面對市場的需求，OMAP 2又如何與OMAP 3進行競爭？事實上，目前OMAP 2所能提供的都是相當高階的應用處理，但是當面對1年或者是2年後，這樣的功能或許就會被市場定義成入門機種。所以，屆時因為手機的功能被要求越來越高， 越來越好那麼或許就必須考慮使用OMAP 3這樣的解決方案。
例如，OMAP 2目前已經是被應用在DoKoMo的手機裡面了，但是，在1年以前，採用OMAP 1、OMAP1621等等的手機，在日本的市場來說這樣子架構，已經是入門機種，比較高階的手機可能就是今年使用OMAP 2的手機。
同樣的在明、後年，OMAP 2也可能變成中、低階的等級，然後需要OMAP 3來支援600萬畫素、800萬畫素的照相能力，讓攝影品質更佳化，同時還能夠達到即時欣賞TV節目等等，因為OMAP 3的運算能力更強，可以處理很多原來OMAP2上受限的東西。
▲未來除了手機需要提供數據機的功能以外，還需要改進更多的東西，包括Bluetooth、Wireless LAN、TV等應用要怎麼整合為一，對於硬體工程師來說，都是一項項的課題。（資料來源：德州儀器）
▲林維偉：「其實對OMAP 2來講，它的架構是包含了兩個CPU，分別是ARM 11以及DSP，那設計的目的，基本上是為了去分散資料的處理，不會讓晶片的頻率有相當高的負荷，也就能減輕一些電源的負擔。」
■完成平順網域轉換是雙模手機的挑戰
當然，對於未來手機系統需求來說，僅僅提供高階多媒體微處理器還是不夠的，高整合度的要求是需要被認真考量。就像把數據機跟OMAP做成一個單晶片的產 品。市場上，有相當多Smart Phone的產品，產品本身就是利用GPRS數據機加上OMAP這樣的架構來達到傳輸的能力。
利用將GPRS數據機加上OMAP包裝成一個MCM的封裝模組來對客戶提供一個類似單晶片概念的解決方案。因為對於這樣的單晶片來說，最重要的是能就降低一些在手機硬體系統設計上的成本與負擔。
但是市場要求是無止境的，未來還有很多應用是需要被放進手機裡面，這對於硬體工程師兜是不同的考驗，也就是說，未來除了手機需要提供數據機的功能外，還需 要改進更多的東西，包括Bluetooth、Wireless LAN、TV等應用，例如TV的天線跟手機的天線要怎麼整合為一，或許未來這些對於硬體工程師來說，都是一項項的課題。所以這些功能如果能利用晶片實現， 儘量使硬體工程師省去這樣的麻煩，而不是花很多時間在做RF調測。
就整體而言，無線上網在手機裡面的負擔其實並不重，在較早的時期是利 用PDA來達到無線上網的功能，由於PDA的面板較大，及主要是以資訊獲得為主要訴求，所以最初的觀念是在PDA中提供無線上網的功能，而透過PDA來上 網，利用IE等軟體來瀏覽網路資料，後來開始逐漸採用GPRS的標準，甚至現在發展到使用3G數據機上網。
利用不同的標準來上網，就技術層次上而言並不困難，甚至於一些比較高階的手機的客戶，在做應用設計時使用就開始考慮VOIP，因為比較高階的手機有些是使用MICROSOFT的作業系統，就可以把SKYPE整合進來。
但是如何推動就是一項大問題，因為大多數消費者都相信無線上網的網路費用，會比手機網路的費用便宜，甚至很多單位在都市中建置了無線上網SPOT、HOT SPOT，可以利用這些SPOT來達到無線上網的功能。
而這一方面所影響的就是電信服務的業者，因為電信服務仍舊在考慮是不是應該去提供這樣的服務給客戶，因為透過VOIP通話，電信服務所能得到的利潤就相當低，不過，當然最終是怎樣的一個環境發展，目前還沒有一個定論，但是相信電信服務業者的態度將會是很重要的一個因素。
不過，就技術層次上而言，目前最大的問題就是在網域轉換，目前市場上並沒有非常好的解決方案，也就是說，大部分的雙模手機都是採用選單切換方式，例如需要 透過選單將VOIP OFF，然後再開啟GPRS的系統輸出。怎麼樣來做到可以讓手機很自由自在地去做網域轉換，當搜尋不到無線網路的信號，就可以自動切換至GPRS，這個是 目前所有業者積極想去克服的問題。
■高整合度減輕手機系統設計的負擔
因為對於未來的客戶來說，晶片的體 積已經不是最關鍵的因素，因為晶片不管怎麼縮小在手機架構空間上的意義程度視微乎其微，因為在往後更高階的手機，勢必面板會被要求的更大，無論是看電視或 上網瀏覽，面板的尺寸是有一定的大小被要求，所以面板的尺寸加大後，手機整體的體積就不可能無限的縮小，因為當晶片做得再小，其實對客戶在手機體積縮的幫 助上並不大。
所以，重點就是在如何減輕客戶對於手機系統設計的負擔，就像最早可能需要8顆IC來完成一項的應用功能，但是就設計上來 說，是需要相當繁瑣的一些工作，包括安排晶片位置、解決干擾問題、耗電等等，其實這樣對於手機系統而言，整體的效果可能不是那麼好，但是當如果提供一顆高 整合度的晶片解決方案，那麼對於客戶來說，就會相當的輕鬆，也解決的多重的問題。
而DRP架構LoCosto解決方案，便能夠滿足高整合度的要求，其實最早的計劃是把 藍芽做成單晶片，而接下來就是再將GPRS數據機一起整合來，形成一個多元應用的射頻方案上面。下一個階段，再將陸續整合EDGE，或是更高階的平台等等。
理論上是，對硬體工程師來講，實很多東西都被整合進去，這對客戶來說不只是研發時間的降低，對於人力的負擔更是一大減輕，因為在以前要尋找一個有經驗的硬體工程師，其實並不是那麼容易。
因為晶片方面已經整合了相當多的功能，那客戶可以花更多的精力去做軟體方面的整合，例如包括他的人機介面等等，這些他們把更多的人力、物力放在這個上面，然後讓你的手機生產起來更簡單、穩定度更高。
淺析手持式處理器之架構大勢
前言：不知各位是否知道？今日大行其道的蘋果Apple iPod數位隨身聽，其內部所用的處理器是何種架構呢？答案是安謀國際科技ARM的ARM7TDMI。同樣的問題，風靡全球的掌上型遊樂器：新力索尼 Sony PSP（PlayStation Portable），其內部所用的處理器又是何種架構呢？答案是美普思科技MIPS的R4000。
類似的問題再問：各位知道您的PDA個人數位助理，它的機內處理器為何？數位相機呢？智慧型手機呢？電子字典呢？股票機呢？這一連串的疑問，或許連一些電子工程師都很難在一時間全部且具體地回應。
| 廣告 |
| |
上述的這些問題，對於一個純消費者而言當然不用去理會，消費者只要在意消費價格與使用方式即可，然而對一個電子工程人員來說就有其必要，不過根據筆者的瞭 解，許多電子工程人員也不熟悉此方面，無論是研發設計者或檢視維修者，都只在意硬體層面的運作正確性，而鮮少去關心更深的內層架構，似乎處理器架構只關韌 體、軟體開發人員的事。
有鑑於此，本文將針對手持式處理器的架構類型進行簡說。
■ARM架構
在手持式處理器的世界中，英國的ARM是目前最普及普遍的架構，據知已在嵌入式領域達75％之高，同時也是相當老牌的架構，早在1993年Apple推出PDA的老祖：Newton時就已經是使用ARM架構。
雖然大家已經很慣於直接使用ARM這個稱詞，但實際上ARM卻是個縮寫字，很少人去瞭解它的全稱原意，其全稱原意其實是：Acorn RISC Machines，其中RISC自然是指精簡指令集運算的Reduced Instruction Set Computing。
附註：ARM的全稱另有一說，指的是Advanced RISC Machines。
由於ARM架構的技術與市佔都已相當穩固，因此ARM也積極讓架構有更廣更深的發展，例如TrsutZone的加密防護技術、Jazelle的Java加 速執行技術、IEM（Intelligent Energy Manager）的自適性省電技術、NEON的多媒體加速執行技術（運用DSP特質、SIMD特質）、以及VFP（Vector Float Point）向量浮點運算加速技術。
■XScale架構
關於XScale架構必須從90年代談起，當年 DEC（Digital Equipment Corp.）迪吉多電腦擁有自屬的半導體設計部門與半導體製造部門，DEC在向ARM取得處理器架構技術的授權後，自行設計發展出StrongARM（簡 稱：SA）的手持式處理器。
之後，由於DEC逐漸釋出與販售各部門，網路部門釋出成為Cabletron/Enterasys凱創，磁 帶部門售給Quantum，主體的資訊與服務部門則由COMPAQ收併，1998年DEC正式宣佈關閉，而其中半導體設計部門及廠房，則由DEC售給 Intel，自此Intel取得StrongARM的研製權。
Intel於1998年取得StrongARM，瞭解其設計架構與產製技 術後，對其進行擴展延伸，於2000年正式對外揭露以StrongARM為基礎所強化成的XScale微架構，Intel以此微架構所衍生成的處理器家 族，包括有PXA族系、IXC族系、IOP族系、IXP族系等，其中手持式運用以使用PXA族系為最多，如PXA255、PXA270等。
值得注意的是，Intel比照其過往的營運模式，以自行研製銷售晶片成品為主，並沒有像ARM、MIPS等業者採行對外技術授權。而所有以XScale微 架構所衍生成的處理器，其實都是以ARMv5TE指令集架構（Instruction Set Architecture；ISA）為基礎，ARMv5TE則是由ARM於1999年所提出。
▲在ARM所發展的多款處理器架構中，目前以ARM7TDMI架構的技術授權為最多，圖為NS公司為Microsoft所發展的SPOT硬體平台，該平台可嬌小到嵌入於電子錶內，同時也是使用ARM7TDMI架構。（圖片來源： National.com）
■MIPS架構
前面提過，早在1993年就可見到ARM架構的處理器，如此足見ARM的歷史久遠。然而還有一家比ARM發展更久的處理器業者：MIPS，MIPS早在 1984年就已創立，之後於1992年由Sgi視算科技所收併，一直到1998年再度釋出，今日與ARM相同，業務上完全以智財（智慧財產）授權為主，這 類型的半導體業者一般稱為IP Provider，其中IP不是指Internet Protocol，而是指Intellectual Property，有時也稱矽智財SIP，即Silicon IP之意。
同樣的，MIPS也是個縮寫字，全稱是 Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，而不是另一個常見全稱：Million Instructions Per Second（每秒一百萬次的指令運算，運算能力的計量單位）。
雖然MIPS架構的手持式處理器在 市佔表現上低於ARM，然MIPS也有現有ARM所不及的優勢，除了架構發展時間較ARM更長久外，MIPS還有從32-bit平順擴展至64-bit的 架構延伸性，不僅適合手持式運算，也適合桌上型運算、後端機房運算、網路通訊運算等，其架構的垂直適用性高過ARM。
附帶一提的是， 2005年美國的知名處理器研究機構In-Stat/MDR（Microprocessor Report）披露：北京神州龍芯集成電路設計有限公司BLX，在沒有獲得MIPS的技術授權下，研發出與MIPS架構相當接近（相容性達95％）的 Godson（龍芯）系列處理器，如此已有侵權之嫌，認為BLX的類MIPS（MIPS-Like）處理器將無法銷往美國。不過BLX方面也有說詞，認為 MIPS架構的最初引源來自學術研究論文，Godson只是源引上的差異，並無侵權問題。
附註：Godson為宗教用詞，原意為「教子」或天主教的「代子」，與此相關且最常見的字詞還有Godfather（宗教的教父，之後也因「教父」電影而普遍用來稱呼黑道大哥，日本則稱為：頭目）。
也因為MIPS從輕量的手持運算到重度的機房運算都適用，所以為了強化在後端運算的架構地位，近年來也積極將架構拓展為多核（Multi-Core），以 便因應多核技術授權的需求，不過此一多核架構短時間並不適用在手持式運用中，手持式運用的雙核多是兩個異質架構的執行核心，一個專司中控處理 （MCU/MPU），另一則負責信號處理或多媒體處理（DSP），而MIPS所發展的雙核、多核則是同質架構的拓展複製，兩者的應用訴求並不相同。
▲手持式處理器也開始注重起執行安全性，因此ARM提出TrsutZone的授權技術，圖為TrsutZone技術的平行防護示意圖。（圖片來源： ARM.com）
■SuperH架構
與ARM、MIPS相同的，SuperH（簡稱：SH）也是RISC型的處理器架構，最早是由日本日立Hitachi所發展，之後才釋出成獨立的 SuperH公司，公司持股則由瑞薩（Renesas，原自Hitachi）與意法半導體（ST）各佔，釋出後的SuperH公司則與ARM、MIPS相 同，以技術架構的智財授權為主業務、主營收。
由於國內的報導較少談論SuperH，所以對SuperH架構的發展源由也較不熟悉，因此以下我們簡單說明SuperH的歷代架構變革、演進：
◆SH-1
32-bit架構，工作時脈最高達20MHz，過去較知名的運用是用在日本Sega世嘉公司的電視遊樂器：Saturn（土星）上，用來 控制機內的光碟機，以及確認遊戲光碟的版權保護。
◆SH-2
與SH-1一樣屬32-bit架構，工作時脈稍有提升，達28.7MHz，知名的運用一樣是在Sega Saturn遊樂器內，以及Sega 32X遊樂器（附加於原Sega Mega Drive電視遊樂器上）內。
◆SH-3
也屬32-bit架構，然而時脈部分的表現大幅提升，提升至200MHz，並且加入記憶體管理單元（Memory Management Unit；MMU），自此SH架構才比較像個MPU而非MCU。Windows CE對SuperH架構的支援也是從SH-3開始。
▲除了ARM、MIPS外，另一知名的處理器架構：SuperH也可透過技術授權取得使用權，圖為SuperH架構的技術展望圖，其中SH-1、SH-2將以MCU路線為主軸，SH-3、SH-4、SH-5才是以MPU為路線主軸。（圖片來源：Renesas.com）
▲相當耐人尋味的，Intel的手持式處理器以ARM架構為主，而長期與Intel在桌上型處理器上抗衡的AMD，其手持式處理器則支持MIPS架構，圖為AMD Alchemy系列處理器的Au1550型。（圖片來源：AMD.com）
◆SH-4
也屬32-bit架構，但執行架構上有一大進步，即是在指令執行上允許同時2組的平行派送，此稱為Dual-Issue（即是一般常言的「Superscalar，超純量架構」），此外也新加入了一個128-bit的向量浮點運算單元（vector FPU）。
SH-4用於Sega的Dreamcast（接替過去的Sega Saturn）電視遊樂器中，此外另一種遊樂器系統：Atomiswave也有使用。
◆SH-5
64-bit架構，並且也具有之前SH-4所具備的128-bit向量浮點運算單元（具有64個32-bit暫存器），此外有一個整數運算單元具有SIMD能力，且有63個64-bit暫存器可支援運算（第64個暫存器被硬體線路設定為「零」）。
■POWER/PowerPC架構
老實說IBM所創的POWER（全稱為：Performance Optimization With Enhanced Risc）架構只在後端機房運算中活躍，而90年代初由Apple、IBM、Motorola三者所合創的PowerPC架構也是只在桌上型運算活躍，至 多於近年來積極搶攻於電視遊樂器（Game Console，如：Microsoft Xbox 360、Nintendo Revolution、Sony PlatSation 3等）與高清晰 數位電視（HDTV）之用，幾乎少有用於手持式應用的例子。
不過，這幾年來IBM試圖改變此一刻板印象，期望將POWER與PowerPC用於手持式應用中，在策略上，IBM自身已近乎不使用32-bit的 POWER/PowerPC處理器，至多在藍色基因BlueGene系列的超級電腦（Supercomputer）中使用特製的PowerPC 440，以及在高階的伺服器內用PowerPC 405作為服務處理器（Service Processor）。
然而，為了盡可能增加 POWER/PowerPC架構的用量與收益，IBM決議推行32-bit POWER/PowerPC的技術架構授權，簡言之是投入與ARM、MIPS、SuperH等相同的「處理器架構」技術的授權行列。為此IBM於2004 年成立了Power.org的推行網站，提供大量的POWER/PowerPC的技術文件與相關素材，同時盡可能讓校園的IC設計學習與EDA實習演練中 能免費使用POWER/PowerPC架構，期望透過前期的深植來增加架構的影響力。
當然，與前述的ARM、SuperH等架構相同的，POWER/PowerPC的一大優勢在於32-bit∼64-bit的架構平順縮放性，讓韌體與軟體程式的學習與開發投資，盡可能獲得最大化的適用性。
▲Intel以StrongARM經驗及ARMv5TE架構為基礎發展出XScale微架構，並以微架構為基礎發展出多種族系的嵌入式處理器，其中又以PXA族系最常用於手持式運用中，圖為PXA250之功能方塊圖。（圖片來源：Intel.com）
■結尾
瞭解了多款手持式處理器的架構類型後，大致上已可歸納整理出幾個趨勢：
1.更深化、加速整數類型以外的運算－如浮點運算加速、Java爪哇程式加速、SIMD平行多媒體執行加速、DSP數位信號處理加速、以及Vector向量運算加速等。
2.平順的架構擴展、延伸－如MIPS、PowerPC、SuperH等都同時具有32-bit與64-bit的架構，且相互相容，即便是ARM也提供Thumb模式，允許使用比32-bit精省的運算規模（節省程式碼儲存空間）。
3.安全性－如ARM的TrustZone技術授權。
4.省電性－如ARM的IEM（Intelligent Energy Manager）技術授權，事實上該技術也與PowerWise省電介面技術相呼應。
手持式處理器「內裝」大檢閱
前言：許多人對於「微處理器」的概念，多半都處在x86架構的想法，即是一顆完全只重視運算的晶片，並將相關想法對應到手持式處理器上，然實際上「桌上型」與「掌上型」的處理器卻有全然不同的設計取向與要件。以下本文將對此一差異進行多方的探討與解說。
■ 用電性的不同
| 廣告 |
今日的桌上型處理器（也包含絕大多數供筆記型電腦之用的處理器）都會用上散熱風扇，事實上最初的桌上型（x86）處理器並未使用風扇，包括8088、 80286、80386SX、80386DX、80486SX等都未曾使用，一直到處理器的工作時脈頻率達33MHz時（80486DX-33），尖峰運 作的用電功率達近2.5瓦（Watt）後，才開始使用上風扇，在此之前只需要用散熱片，甚至完全倚賴晶片自身的封裝即可散熱（但必須改用較好散熱的陶瓷材 質封裝，塑膠材質封裝的導熱性較差）。
桌上型、筆記型的處理器可以使用風扇，然而很不幸的，手持型、掌上型的處理器無法使用風扇，不僅 機內體積空間不允許，裝置自身的電池蓄電容量也不允許，所以手持式處理器必須能與早期的x86處理器一樣能夠「自體散熱」，至多給予散熱片的貼附，有時連 貼附散熱片的空間也不可得。
也因為如此，到目前為止的手持式處理器都不是使用x86架構，而是ARM架構、MIPS架構或其他架構，理 由是x86架構的運作方式過於耗電，包括Intel都是在手持式應用上推行XScale架構，而無法使用x86，雖然今年初Wintel陣營開始推展超可 攜性的個人電腦：UMPC（Ultra Mobile Personal Computer），UMPC使用的是x86處理器，如Intel Pentium-Ⅲ Mobile或VIA C7-M等，然目前的試製品（Prototype）竟在連續使用15分鐘後就電力告鑿，很明顯離實用、長時間使用有一大段距離。
■整合度的不同
桌上型與筆記型由於機內空間較寬裕，因此可用多顆晶片來實現整個運算系統，每顆晶片可有較專精的設計與發揮，例如處理器即專責於整數（也稱：定點數）、浮 點數、多媒體等的運算，晶片組中的北橋晶片可專責於前端匯流排（Front Side Bus；FSB）、記憶體、視訊等高速傳輸的工作，至於晶片組中的南橋晶片則負責多樣性的I/O週邊工作。
反過來看手持型、掌上型的處 理器，由於手持裝置、掌上型裝置的機內空間相當有限，無法用多顆晶片來組構出完整的運算系統，因此必須積極要求晶片數目的收斂，讓多項功能機制整合於單一 晶片中，也因此手持式處理器必須「以一抵多」，除負責處理運算外，也必須透過整合技術來兼顧多項功用。
到底一顆手持式處理器內有多少項整合呢？以下我們將以國內最常見也最普遍使用的Intel PXA255處理器為例，進行內部整合度的相關說明。
▲Intel的手持式處理器：PXA255，該處理器的封裝尺寸為17×17mm，接腳數為256-pin，封裝型態為塑膠材質的BGA。（圖片來源：Intel.com）
附註：PXA255在接腳組態配置上也能PXA250全然相容，一般將此稱為：「pin-to-pin compatible，接腳相容、腳位相容」。
■快取記憶體
以x86的發展軌跡來說，快取記憶體（Cache Memory）最初是配置於主機板上，之後才內建至處理器內，此外雖然今日的x86處理器已全面內建快取記憶體，但對高階UNIX伺服器而言，其所用的 RISC處理器仍經常在使用晶片外部的快取記憶體，所以在此我們也將快取記憶體認定為自外轉往內的整合程序。
▲Intel PXA255的功能方塊圖。（圖片來源：Intel.com）
▲PXA255處理器在「系統記憶體」的「韌體記憶體」的介面支援上相當彈性，既允許選擇資料傳輸的並列寬度（16-bit或32-bit），也允許換用不同類型的記憶體。（圖片來源：Intel.com）
以PXA255而言，其內部就整合了32KB的資料快取記憶體，以及32KB的程式快取記憶體，此外由於近年來手持式裝置也開始串流影音媒體的運用，所以PXA255內部又增闢了2KB的迷你型（Mini）資料快取記憶體，能在串流傳輸時發揮更多的資料傳輸加快效用。
附註：根據瞭解，原來80386處理器的規劃設定是內建快取記憶體及浮點運算器，然在最後發展階段決議取消，改由80486處理器上來補足此兩項設計的整合工作。
■系統記憶體、韌體記憶體
前面提到，手持式處理器必須整合多項功效於一身，其中晶片組功效，或晶片組中的記憶體控制器的功效，就必須直接內建至處理器中，事實上今日許多高階運算系統的處理器也採行此一作法，如AMD的Opteron即是一例。
就PXA255來說，其「系統主記憶體」方面支援100MHz的SDR SDRAM，即是一般PC產業中所稱的「PC-100」記憶體，且最多達4個記憶體庫（Bank），此外記憶體類型也不一定要採行RAM，必要時依據設計應用等需求，也可換用成SMROM。
此外，由於手持式裝置的設計情境較難掌握，有可能碰到相當克難的設計要求，所以PXA255也提供組態彈性，能在16-bit介面與32-bit介面中擇一而用，16-bit介面即是因應運算資源或組件成本等稀少時而有的設計。
除了SDR SDRAM外，PXA255也整合了SRAM的記憶體存取介面，同時也與SDR SDRAM控制介面一樣具有多樣彈性，如在16-bit與32-bit介面中作選擇，或者也可不使用SRAM而改採Flash Memory或類似的ROM型態記憶體，且最多支援達6個記憶庫。
附帶一提的是，PXA255還內建了16個DMA（Direct Memory Access；直接記憶體存取）通道，能讓記憶體與I/O或記憶體與處理器間的資料交換、傳輸獲得加速，相對的一般桌上型PC只有8個DMA通道，實際可 用的僅7個（其中1個通道因為傳統8327晶片的串接組態設計而被耗佔，無法使用）。
■擴充介面、儲存介面
有了快取記憶體、系統主記憶體、韌體記憶體後，進一步的就會考慮「擴充」介面及「儲存」介面，而「擴充」及「儲存」過去則是由南橋晶片負責，如今也整合到手持式處理器內。
一樣以PXA255為依據，PXA255在擴充方面提供PCMICA介面，在儲存方面提供了CompactFlash介面，有別於桌上型電腦，桌上型電腦 的擴充多採PCI或PCI Express介面（含：擴充槽），儲存方面則採ATA（也稱：Parallel ATA；PATA）或SATA（Serial ATA）介面。
■I/O週邊
進一步的，PXA255也整合了相關的I/O週邊功能，包括彩色的液晶顯示控制器（Color LCD Controller）、USB Client 1.1介面（即是指PXA255晶片端為USB Peripheral）、Bluetooth 藍芽無線傳輸介面（含專屬的UART）、全硬體性的流程控制用UART、IrDA紅外線傳輸介面（含專屬的UART）等等。
▲從圖中各位可以看出（勾處），PXA255內建的I/O週邊中，有三個專屬用途的UART，分別配屬給三個週邊使用，包括IrDA的紅外線通訊傳輸、Bluetooth的藍芽無線通訊傳輸、以及全硬體式的流量控制。（圖片來源： Intel.com）
▲PXA255 的Supervisor部分包括：核心相鎖迴路（Core PLL）、時脈除頻器（Clock Dividers）、即時鐘震盪器（RTC Osc.）等，此外也有「電源管理器」、「時脈控制器」、「中斷控制器」，以及「JTAG標準的測試、除錯介面」。（圖片來源：Intel.com）
此外，PXA255還內建音效介面與記憶卡介面（CompactFlash在此處的應用比較類似ATA硬碟或ATA裝置，反倒不像是記憶卡），音效的部分有AC'97軟體數位音源介面、I2S音源介面，記憶卡的部分有MMC介面與SD介面。
當然！有些一般性質、泛用性質（General Purpose）的週邊資源也是不能免，如計時器（Timer；TMR）、脈寬調變輸出（Pulse Width Modulation；PWM）、即時鐘（Real Time Clock；RTC）、I2C串列傳輸介面、SSP/SPI/uWire（指Micro Wire）串列傳輸介面等。
稍微要注意的是， PXA255在I/O接腳規劃的設計上，是提供17個主要（Primary）性的GPIO接腳，然後再搭配若干的次要（Secondary）性GPIO接 腳，主要性接腳完全只用於GPIO功效上，相對的次要性接腳就被設計成多工運用，當內部的週邊功效不需使用外部接腳時，這時次要性接腳才能挪做GPIO之 用。
至於其他方面，還有看門狗計時器（Watchdog Timer；WDT）、重置控制器（Reset Controller）、中斷控制器（Interrupt Controller）、用電管理器（Power Manager）、工作時脈控制器（Clock Controller）等，這些是比較偏Supervisor（監管者、監控者）角色的內建機制。此外，PXA255也在內建2組震盪器（32kHz與 3.68MHz）。
附註：雖然處理器內建的「PWM輸出」能有多種用途（如：步進 馬達控制），不過在掌上型設計中卻是經常用來調整、控制「LCD顯示器」的背光（Back Light）亮度。
附註：事實上，PXA255還內建一個「Burst Flash Interface」，能直接用來連接Intel自家的StrataFlash快閃記憶體，由於此為自有專屬設計，偏離泛用性整合，因此不在本文中提述。
■結論
談論到此，相信各位已經能隱約發現，手持式處理器的整體面向發展與設計是趨向微控制器，而非主流的桌上型微處理器，差別只在於手持式處理器的記憶體管理較微控制器佳，相關的運算資源也較寬裕、充沛，除此之外兩者幾乎快無二致。
最後，雖然本篇是以「Intel PXA255」處理器為例，但其他的手持式處理器也多與此相類似，各位可以依據本文的解說進行相同的類推。一樣可以瞭解手持式處理器的整合度，以及它與桌上型處理器的諸多差異。
附帶一提的是，桌上型處理器礙於用電與整合度，幾乎不能用手持式應用中，然而手持式處理器卻有機會用到「電池供電」以外的「固定電源」場合上，例如近年來 興起的數位媒體配接器（Digital Media Adapter；DMA）就有許多是使用手持式處理器來實現，或者是用於寬頻分享器（也稱「常駐型閘道器：Residential Gateway；RG」。有時也稱「家用閘道器：Home Gateway；HG」）中，此外許多精簡型電腦（Thin Client；TC，也稱：瘦身型用戶端）也都逐漸在改採手持式處理器，而不再限定非使用x86處理器。
▲ 今日已有多款Thin Client已從x86處理器而改用手持式處理器（即RISC架構的ARM、MIPS、SuperH等），如AMD公司Alchemy系列的Au1550 處理器即適合用於Thin Client應用中，圖為Au1550的開發用電路板：DBAu1550。（圖片來源：AMD.com）
--
[垃圾桶] 裡沒有會話群組。 當您有 2000 MB 以上的儲存空間時，誰還需要刪除郵件？！
沒有留言:
張貼留言