Android硬體系統簡介

FosterTAZ

PC DIY風氣盛行，PC硬體系統也就比較多人曉得；
相較之下，智慧型手機的封閉，也讓比較少人討論。
在這邊起個頭，提供一下自己的一些見解。
如果有誤，也請各位前輩指教。謝謝。

一、Application Processor

首先介紹目前智慧型手機的核心零件，Application Processor。

為什麼要叫Application Processor(AP)，而不是電腦界常用的CPU？

這算手機的歷史吧。

手機一開始只有通訊用途，所以以前處理器是以基頻訊號處理為主，

那種處理器又叫作Communication Processor(CP)，也稱Baseband processor。

後來手機作業系統越來越複雜、應用程式越來越多樣，

才特別有額外的處理器去運作，

也就是現今的主角，Application Processor。

截至今天(2013年)，AP市場大抵底定。

幾乎全部是行動運算起家的ARM架構為主，

1. Qualcomm Snapdragon

2. Samsung Exynos

3. nVidia Tegra

4. MediaTek MTXXXX

其餘Rockchip等影響力較低的廠商，或是已經結束的TI OMAP，就不列出了。

1.Qualcomm Snapdragon

Qualcomm一創立便是以3G的CDMA科技為主，

對於智慧型手機的高速無線上網催生，功不可沒，也難以被取代、超越。

而當手機趨向智慧型手機，Qualcomm也安排細密的產品線對應。

APQXXXX，意即Application Processor Qualcomm，純AP的SoC；

用於平板電腦、智慧電視或是高階手機。

MSMXXXX，Mobile Station Modem，整合AP和CP的SoC；

專門用於手機。

Qualcomm的AP特色是：

(1) 自主開發的ARM指令集相容核心，Krait。

不同於一般AP廠商，是直接用ARM公版核心，再自己設計成SoC；

Qualcomm則是取得ARM授權，完全自己設計核心。

剛開始滿悲劇的，在MSM8260時代，同樣雙核心、同時脈，

Qualcomm Krait效能是輸給ARM公版的Cortex A8。

下一代雙核心MSM8960，反倒追上同時期的四核心Cortex A9。

而2013年上半的這一代APQ8064，似乎又考量到功耗，而略輸給Cortex A15。

(2) 從AMD/ATI購入的Mali GPU。

(3) 整合AP和CP的MSM系列

不像後來加入的AP廠商，作CP起家的Qualcomm，一直都能持續推出二合一的MSM。

二合一對於手機的輕薄要求，幫助很大。

2. Samsung Exynos

身為世界級手機大廠和前端半導體大廠，Samsung自行設計AP是很正常的。

Samsung Exynos算是緊跟ARM腳步的廠商，

當ARM提出big.LITTLE概念後，第一款量產晶片便是Samsung Exynos 5410，用於Galaxy S4。

big.LITTLE的概念，好比Toyota油電混合車，重點不在於更強的效能，

而是更高的效率、省更多電。

ARM最新的Cortex A15，為了更高時脈以及效能，犧牲掉省電；

同樣效能下，A15會比低階的A7消耗六倍的電力。

big.LITTLE便依此提出改善A15的效率，四顆A15核心搭配四顆A7核心。

待機或是低負載工作時，交給A7核心處理；

等到遊戲或高負載工作出現時，無縫轉交給A15處理。

至於怎麼無縫轉接，以及轉接的時機，便是big.LITTLE的技術重點。

附帶一提，Samsung採用的行動GPU，是長青廠商PowerVR SGX系列。

3. nVidia Tegra

nVidia Tegra，算是異軍突起的一方。

當nVidia本業PC GPU，背腹受敵，低階被Intel/AMD CPU內建GPU吃去，

高階又受家用遊戲機擠壓；nVidia便積極轉向行動運算發展。

起初，Tegra 1代毫無爆發性，默默無聞。

Tegra 2代，雙核Cortex A8，逐漸被知名廠商採用。

直到Tegra 3代，搭上對抗iPad的Android 3.0熱潮，

並在主要對手Qualcomm無競爭產品情形下，

Tegra 3噱頭十足的四核心Cortex A9被大量採用並成功銷售。

隨後nVidia購入英國CP廠商Icera，也規劃在Tegra 4推出二合一產品，

企圖攻佔手機市場。。

未來nVidia規劃是將PC GPU科技導入Tegra 5/6，讓行動運算使用GPGPU加速；

4. MediaTek

MediaTek，也就是聯發科。

專注於低價白牌手機，所以ARM核心選用上，頂多到四核心Cortex A7，

不打算和其他大廠力拼。

而MTK最強的地方，在於turn-key solution。

一般選用AP後，需要自行開發底層驅動程式和作業系統操作面。

但MTK服務好到，提供完整的軟體資源，甚至可以塞進手機的小型公板電路。

意思是說，手機廠商只需要準備軟體介面設計、驗證和外殼設計，

便能生產一支軟硬體品質有一定水準的手機。

二、Communication Processor/Baseband processor/Modem

手機電路系統三大主要零件，第二就屬CP，也有人稱Baseband processor或Modem。

Communication Processor，如上篇提及，是以前手機的要角。

CP主要功能是，接收訊號時，

將基地台的2G/3G/4G無線訊號，經由天線和RF前端電路接受後，

CP作基頻訊號處理，調變、解碼後送回給AP；

發送訊號時，則相反。

傳統CP就能拿來通話使用，CP不需要透過AP便能進行通話。

通話時，CP不需要丟資料給AP；

可以直接將遠方的語音送給聲音系統發聲，

或是將聲音系統的語音收回來，傳給遠方。

通話這功能行之有年，一般人會認為沒什麼了不起，

但對於手機系統卻是極其複雜的行為。

通話過程的示意圖，大約如下：

通話的無線訊號要求，不用多說，一定有很多規範來維持訊號品質。

較為一般人忽略的是，聲音部分。

通話的聲音品質，好像只要把聽筒和麥克風的品質做好就沒問題；

其實大有學問。

情境一，使用聽筒和麥克風，手持聽筒模式，Handset mode。

聽筒發聲，要避免對方傳來的聲音過大、對於語音頻率的表現失真就夠小。

麥克風收音，除了要錄清楚使用者的語音外，也要避免錄到手機本體的微小噪音，

也不能錄下過大的音量、嚇死對方；

甚至要有效降低環境的噪音，以免降低語音品質，或是傳到對方那。

情境二，使用內建喇叭和麥克風，免持聽筒模式，Handfree mode。

免持聽筒，就是使用者不拿著手機貼臉，而用內建喇叭聽對方講話，

以及離手機有段距離說話。

內建喇叭發聲，要夠大聲又不能破音，不然沒人想用。

麥克風收音，除了情境一的要求，又多了不能錄到手機內建喇叭的聲音；

不然會發生回音(echo)現象，

對方說的話被自己的喇叭放出來，又被自己的麥克風錄進去，

然後傳給對方，讓對方聽到自己前幾秒說的話。

情境三，使用耳機麥克風，頭戴聽筒模式，Headset mode。

先前說的又完全不適用了，使用者換上耳機和附屬的麥克風。

類似情境一的要求，廠商又需要重新調整。

情境四，使用藍牙耳機，Bluetooth mode。

藍牙耳機不只像耳機麥克風，還多了藍牙的無線訊號品質問題。

由於通話功能如此複雜，又是手機主要功能，

所以電信商和相關組織制定了各式嚴格的規範和測試項目。

想要將手機賣給電信商，通常都是要通過這些測試才能獲准上市。

要通過這些測試，前期的調整工作，以及後期給第三方單位驗證的成本，

都讓通話這被視為理所當然的功能，卻是廠商的一大門檻；

這也就是為什麼手機以外的產品，像更便宜的平板不會輕易加入通話功能的原因之一。

而無線上網就單純很多。

CP只要把數據封包，傳給AP處理就結束了。

上網有封包資料遺失？再按重新整理就好了，這可不像通話少幾句話那麼嚴重。

也就是因為無線上網的規範較不嚴格，

所以網路電話的品質通常較一般電話差。

網路電話的行為是，讓AP作錄放聲音系統，並將其語音做成數據封包，

讓CP當無線上網傳出去。

網路電話的封包，可沒有特別重要，就跟一般數據封包一樣流竄，

不保證品質、亦不保證即時性。

更不用說Sykpe, Viber, Line, Whatsapp這些廠商，沒有強制要求送測，

連網路電話廠商也無法保證其品質。

製作CP/modem的晶片廠商，也就是傳統的手機晶片廠商。

1. Qualcomm

Qualcomm除了提供AP和CP二合一的MSM系列外，也有單純CP的MDM(MoDeM)系列。

Qualcomm無疑是3G/4G modem的領導廠商，

雖然Apple和Samsung都積極發展自身的AP，

但CP常常選擇效能最好、支援度最高的Qualcomm MDM。

2. Infineon/Intel Mobile Communications

Infineon在傳統2G手機也是極大的晶片提供商，

目前Infineon通訊晶片部門已經賣給Intel，成為Intel Mobile Communications。

3. ST-Ericsson

4. Marvell

Marvell也是推出二合一晶片，但都是專為中國移動設計的TD-CDMA系統。

所以只能在中國市場看見。

6. MediaTek

三、Power Management IC

Power Management IC (PMIC)，也有廠商以Power Management Unit (PMU)稱之。

整支手機系統的基礎需求，電源和時脈產生，以及維持開機、順利關機，

完全就是PMIC在照顧；

如果說AP和CP是左右腦，PMIC宛如小腦和脊椎。

手機處於關機狀態時，按下電源鈕，

按鍵會觸發PMIC進行開機。

PMIC會先開啟自己開機過程需要的電源，讓相關電路醒來。

最後打開AP/CP的運算核心需要的電源，並發出Reset重置訊號，

通知AP/CP準備開機。

最後AP/CP依照，記憶體內存放的作業系統安排的程序開機，

逐一將資料讀出、處理，完成開機。

PMIC平時工作除了供給內部電路的電源外，常見的一大功用，就是充電。

充電功能，通常都是依據USB的標準設計，5V/0.5A的直流電源。

這標準也是當手機插上電腦，電腦會提供給手機的電源規格。

為了加快手機充電速度，廠商常常設計成，

當手機插上外部變壓器，PMIC會透過USB的資料線確認，

確認無誤後，PMIC會從正常的0.5A充電抽載，改成1A充電抽載。

有時候你會發現，怎麼手機接上iPad之類的平板用電壓器，可以充電更快。

那是因為平板有更大顆的電池，會配置更大電流(2A以上)的電壓器。

有些手機廠商，容許手機可以抽出2A作充電；有些則不容許。

這其實牽涉到安全問題。

外部電源轉換成充電電源，有效率問題。

USB的規格是5V，但電池電壓是小於5V的。

假設充電效率永遠高達90%，

5V/1A的充電速度下，PMIC會發出0.5W的熱；

改成5V/2A的充電速度，PMIC則發出多一倍的1W熱。

多出來的熱，便增加手機故障或燒毀的機率，

因此較為保守的廠商就不容許超過1A的充電。

PMIC開始充電了，但又該怎麼知道充飽電。

手機內通常還有Gauge的功能，專門監控電池電量和溫度。

Gauge會去監控電池的電壓以及電流進出，來提供目前電量給PMIC。

而使用者在作業系統看到的電量比例，通常也是AP直接從Gauge讀取出來的。

另外，Gauge也會監控電池溫度；

由於電池有相關安全規範，太熱或太冷時，Gauge都會提出警告給PMIC和AP。

雖然現在偶有電池爆炸的意外傳出，

但其實現今電池保護已經作了非常多道保險手段。

從電池本體設計，一直到系統端監控，將意外機率降到極低。

然而手機一年就是賣出幾億支，總會有幾支在特殊情況下發生意外。