一种针对多媒体手机设计中改进高速USB的设备

 　　一款手机的设计成功靠的绝不仅仅是外观、待机时间和可靠性，好的设计架构也必须要能兼容新的应用模型，与此同时，还要接受业界设定的标杆，除非能超过它。手机以及一些其他电子设备如掌上电脑、便携式多媒体播放器(PMP)、数码相机的融合。

        正如我们所见的那样迅猛发展，譬如近期推出的索爱W950i随身听和诺基亚N系列手机。系统设计师们必须在手机中加入更多的功能来提高成功的机会。

        但是，许多这种“融合”的手机，常常难以提供良好的用户体验。高度集成的手机的失败源于许多不同因素，但是可用性差通常是它们无法吸引其应有的众多用户的可能的原因。可用性并不只是指某种产品的易于使用性，也指其每种功能与市场上其他含这种功能的产品的性能比较。

         集成的功能质量往往被忽视。举个例子，你可以在很多手机上发现低质的数码相机。系统设计者需要为每种功能仔细考虑，而不仅是核对系统的功能表上的项目。要让集成的功能有所值，就必须关注其应带来的用户体验。

         在消费电子领域，支持音乐、影像播放及带有数码摄相的手机的分类在迅速变化，从高端变到中端，甚至某些时候是低端。随时间推移，多媒体手机会继续向海量存储容量发展，尤其是随着闪存技术成本正以惊人的速度下降。更实用的海量存储使得设备能支持更高比特率的多媒体内容以及更高相素的照像模块。在当今的市场上，1G容量可被视为海量存储的增量单位，而多媒体手机的容量期望在1GB以上。这种趋势随着新近推出的SD2.0规范而更加明显，该标准中SD卡的容量定为32GB。除了SD/MMC卡，还有其他一些流行的海量存储设备，包括NAND和HDD。

        有一点对于多媒体手机十分重要，那就是其要能提供一种高速的对外连接来传输大量的多媒体资料，例如音乐、影像和图片。这种连接普遍的是用USB接口来实现与PC的连接。当今市场上绝大多数手机支持的仍是USB1.1连接(FSUSB，12Mbps)，而支持更快的USB2.0连接(HSUSB，480Mbps)将很快成为必需的要求。表一列出了两种标准的基本比较，以及一些利用USB原始信令速率(不算SW开销)计算出的传输时间的几个例子。图一是典型手机基带处理器的架构图。注意这种架构只集成了FSUSB SIE(串行接口引擎)，还需要外加一个FSUSB收发器。

         表一中的数据反映了FSUSB和HSUSB传输的原始信令速率，它们差出了一个数量级(HSUSB比FSUSB快40倍)。应当注意，这些数据不包括任何软件开销和硬件限制。所以，实际系统中的数据率将大大的降低。

        乍看起来，可以认为采用HSUSB就可以自动增加带宽从而有效解决PC和大容量设备间的低传输速率问题。可事实是，USB的数据实际吞吐量还取决于系统架构，系统架构决定了软硬件开销及限制。

        考虑采用图2中的HSUSB。因为基带处理器只支持FSUSB，所以要用一个外设HSUSB控制器来支持HSUSB。HSUSB控制器通常与处理器的外部存储接口相连，这个接口也同样可为不同的存储设备共享，例如NAND和SDRAM。在这种价架构下，图2中的红箭头就代表了从PC通过HSUSB到大容量存储设备间的数据流简化表示。图3则是其更贴近实际的表示。

图1：使用带有FSUSB的处理器的手机。

图2：使用外接HSUSB控制器的手机。

图3：从PC到使用外接HSUSB控制器的海量存储器的数据流。

        在图3中，数据流不再像图2那样简单直接的表示。从PC发出的数据流首先经过HSUSB，再经缓冲进入基带处理器上的SDRAM。接下来由处理器读取SDRAM的数据再将其写入海量存储设备，在本例中是一个NAND闪存。但如果没有对软件进行仔细的优化设计，这种媒介传递的形式不但会阻碍HSUSB的充分利用，也会大大降低整个系统的性能。因此，使用这种架构通常无法得到HSUSB本应有的用户体验。

         另外，由于集成了多种功能，就不可避免地需要多任务处理。手机架构设计师面临的一个挑战就是要求所设计的架构具有足够的灵活度，能够适应新的应用模型。例如，随着3G+无线技术的演进，无线空中接口带宽也成指数增长，人们可以用一个3G+手机作为调制解调器实现高速互联网络连接。这对于那些在旅途中也需要高速网络访问的终端用户尤为有用。然而，这些新应用模型只有在多任务处理能得到有效支持时才能发挥作用。例如，当用户正以手机作为存储设备(拇指存储器模式)或者正多媒体资料，这时仍需要其保持接打电话及连接网络的功能，否则会带来不便。图3的手机设计中，当USB进行传输时，基带处理器将忙于传输数据而常常没有剩余带宽来处理其任务，如语音通话。所以，手机设计者不得不调整当前的手机设计来兼容新一代的应用模型。

         西桥架构

         为迎接多任务处理的挑战，系统设计师需要新的设计架构选择，例如西桥，它消除了几代处理器的处理瓶颈。就像在PC架构中引入北桥和南桥一样，在嵌入式系统中，西桥将负责主处理器与外设的连接。图4为采用西桥的架构。

图4：西桥架构方框图

         在这个图例中，西桥有三个端口：一个处理器“P”端口，一个HSUSB“U”端口及一个海量存储器“S”端口。其中“P”端口连接嵌入式处理器，同时支持硬件DMA通道。在手机设计中，“P”端口连接到基带处理器的标准外部存储接口；“U”端口提供USB2.0连接，“S”端口支持各种海量存储技术，例如8位/16位NAND闪存，SD/miniSD/T-F Flash，MMC/MMC+，甚至新的硬盘驱动(HDD)标准CE-ATA。

         图4中的红箭头表示这3个端口中可能的数据通路。注意当这些箭头都通过西桥时，为了避免堵塞，它们同时而又彼此独立地被标出。箭头“1”，即“P”端口和“U”端口间的通路，通过HSUSB接口实现基带处理器与外部的连接。这个数据通路可实现像前面提到的无线上网这类的新应用模型。箭头“2”，即“P”端口和“S”端口间的通路，将基带处理器连到海量存储器，就像二者直接连接一样。箭头“3”，即“U”端口与“S”端口之间的通路，支持将PC与海量存储器中的数据上传和到手机上。这个通路尤其适用于传输多媒体文件：从PCMP3/WMA/Video到手机，或者从手机上传图片到PC。与图3中的手机架构相比，海量存储器现在直接连接到西桥和不是处理器本身。这样，基带处理器完全摆脱了数据传输的负担，因为它不再作为PC与海量存储器间的数据通路。这为更多重要的任务释放出了处理器的工作带宽。图5将解释这种新的架构。注意PC与海量存储间的数据通路与图2和图3中的不同。

图5：采用Antioch西桥时从PC到海量存储器的直接通路。

        总而言之，PC与海量存储器间的直接通路极大的提高了吞吐效率。塞普拉斯为当今市场上不同移动设备的USB连接吞吐量设定了标杆。在可控环境下对该标杆进行了测试试验，表2中列出了测试结果。这些设备的名字因需保密而省略。

        如表2所示，PC与海量存储器间的直接通路极大地提高了吞吐效率。这使得西桥对一些性能关键系统十分有吸引力，因为它能大大提升用户的HSUSB体验。

表1：USB的理论传输速率和传输时间。

表2：手机USB传输速率标杆测试结果。

         重点是，这种架构允许三条数据通路同时开通。这使得任何移动手机设计都可以应用西桥。一款典型的处理器从设计到大规模生产需要大约2年的时间，而海量存储器接口标准的更新远快于处理器设计周期，所以市场上的处理器往往很难支持的存储设备。但通过使用西桥，就能够完美地连接到现今大多数处理器都还无法支持的海量存储设备，例如SD2.0和CE-ATA。

        桥架构解决了PC中的很多难题。类似地，在移动手机设计中引入西桥将设计者从平衡其功能与灵活性中解放出来。西桥并不只通过PC与存储设备间的直接通路带来HSUSB体验，它还能实现同时支持不同应用模型的多任务，并满足当前以及未来的多媒体手机设计中不断增长的吞吐率需求。