论山寨手机与 Android【9】SmartPhone 的硬件结构

如何区别智能手机（SmartPhone）与功能手机（FeaturePhone）？

有一种观点认为，智能手机本质上是功能手机与便携式电脑（Laptop PC）的结合。功能手机的功能受限于制造厂商的预制，也就是说，用户基本上只能使用手机出厂时已经预制的功能，而不能自主下载并安装新的应用。而个人电脑出厂时，多半是裸机，用户根据自己的喜好，自主决定安装哪些软件。一言以蔽之，所谓智能手机，就是用户能够自主安装应用软件的手机。

按照这个定义，智能手机与上网本（Netbook）有什么本质区别呢？

智能手机与上网本并不存在本质区别。如果说电脑与功能手机是一段光谱的两极，那么智能手机与上网本都处于两极的中间。智能手机更接近功能手机，强调小巧，省电。而上网本更趋近与电脑，强调功能，但是代价是尺寸较大，耗电，续航时间短。例如，Apple 公司最新推出的 iPad 上网本，实际上就是放大了尺寸和功 能的 iPhone 智能手机，见 Figure 9.1 并参考文献 [1] 。

Figure 9.1 iPad notebook is an enlarged iPhone smartphone. [1]
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4063/4348114249_e5bbef101b_o.png

从硬件结构上看，不妨把智能手机粗略地概括为电脑加移动网卡。我们在上一节，“自己动手做电脑手机” 一文中，大致介绍了电脑加移动网卡的具体做法。

智能手机 == 电脑 + 移动网卡，这个提法比较粗略，更精准的提法应当是，智能手机的硬件结构分为 AP 和 BP 两个部分。AP，应用程序处理器（Application Processor），负责大部分应用程序的执行。而 BP，基带处理器（Baseband Processor），也称为通信处理器（CP，Communication Processor），负责所有通讯软件的执行。

如果说功能手机的硬件结构，以 BP 为主体，添加了一些额外的应用程序和相应的硬件外设。那么智能手机作为功能手机的进一步发展，在 BP 的基础上，增加了 AP，专门用于强化对应用程序的支持。

但是 AP 并不等同于电脑主板，这主要体现在 CPU 的配置上。一方面智能手机 AP 的 CPU 的运算速度，应当趋近于电脑 CPU 的速度。以往智能手机 AP 的 CPU，速度通常是 200MHz 以上，而近期高档智能手机 AP 的 CPU 速度，有的已经达到 1GHz。另一方面，智能手机 AP 的 CPU 不能一味追求速度，而 且要均衡 CPU 尺寸，便于携带，还要考虑省电，延长续航时间。

在权衡了 CPU 的速度，尺寸，以及耗电量等等诸多因素以后，ARM 系列 CPU 成为智能手机 AP 的 CPU 的主流。当然，并不是所有厂商都接受这个观点，例如 Intel 就不看好 ARM 系列。

2006 年，Intel 把 ARM 指令兼容内 核的 StrongARM/XScale 产品线，作价 6 亿美元，卖给了 Marvell [2]。同时，Intel 着力发展 x86 内核的 Atom CPU，与 ARM 系列争夺手机芯片市场。但是代号为 Menlow 的第一代 Intel 手机芯片，由于功耗和电源管理无法满足手机的要求，无法挑战 ARM 系列 在手机芯片市场的地位，只好转战上网本 [3]。

但是在 2010 年 1 月份举办的美国家电年度展会（CES）上，韩国厂商 LG 展示了一款新 手机，LG GW990，见 Figure 9.2。这款手机的看点，是使用了代号为 Moorestown 的第二代 Atom CPU 芯片。据传闻，Moorestown 的续航时间长达 24 小时 [4,5]。

Figure 9.2 LG GW990, with Intel Moorestown Atom CPU inside [5].
Courtesy http://www.blogcdn.com/www.engadget.com/media/
2010/01/intel-keynote-ces10-0175-rm-eng.jpg

虽然 Moorestown 似乎很有潜力，但是就目前而言，ARM 系列 CPU 在手机芯片市场的霸主地位，是毋庸置疑的。例如，最近几年，多款被市场热捧的智能手机，它们的 CPU 都不约而同地选用了以 ARM Cortex A8 为内核的芯片。

1.  Palm 公司曾经在 1990 年代以掌中宝 Palm PDA 风光一时。后来一度沉寂，迷失了自己的定位。2009 年 1 月，在美国家电年度展会（CES）上，Palm 高调宣布他们研制的 Palm Pre 手机即将上市。这款手机的确很炫，获得该年度 CES 大奖。

Palm Pre 手机于 2009 年 6 月正式上市，它使用的 CPU 芯片，是德州仪器（TI）于 2007 年推出的 OMAP3430 芯片，而 OMAP3430 芯片的内核，是 ARM Cortex-A8 [10]。

2.  同样在 2009 年 6 月份，Apple 公司的 iPhone 3GS 也上市，把 Palm Pre 的风头抢了过去。iPhone 3GS 的 CPU，选用的是 Samsung S5PC100 芯片，这款 CPU 的内核也是 ARM Cortex-A8 [11]。

3.  老牌手机制造商 Moto，业绩持续下滑。但是在 2009 年底，老树新花，Moto 推出以 Google Android v2.0 为操作系统的 Droid，火爆一时。与 Palm Pre 手机不谋而合的是，Droid 的 CPU 也选用了 TI 的 OMAP3430 芯片，其内核也是 ARM Cortex-A8 [12]。

4.  Google 一直声称自己不介入手机制造。但是在 2010 年 1 月，由台湾 HTC 代工的 Nexus One，却是 Google 自己的品牌手机。Google Nexus One 手机，内置 CPU 芯片是高通（Qualcomm）的 Snapdragon 系列 QSD 8250 芯片。该芯片的内核也是 ARM Cortex-A8 [13]。

Figure 9.3 Palm Pre, iPhone 3GS, Moto Droid, Google Nexus One, all uses ARM Cortex-A8 CPU [10,11,12,13]。
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4069/4351123874_7c626a9175_o.png

智能手机的 CPU 芯片，核心是处理器内核，例如 ARM 系列内核。除了内核以外，还包括其它外设组件。下面以 TI 的 OMAP3430 芯片为例，解剖一下智能手机 CPU 芯片内部结构。Figure 9.4 是 OMAP3430 芯片的内部结构图，其中内核是 ARM Cortex-A8。

ARM 系列包括型号众多的内核，为什么大家不约而同地选择 ARM Cortex-A8？选择的要点是功能，速度，耗电量三者的权衡。

ARM Cortex-A8 使用的指令集是 ARMv7。StrongARM 系列，使用的指令集是 ARMv4。ARM7 系列和 ARM9 系列，用的是 ARMv4 和 ARMv5 指令集。ARM11 系列，用的是 ARMv6 指令集。

指令集版本号越高，一方面意味着指令的数量越多，从而导致芯片内部电路越复杂，制造难度也越大。另一方面，指令集越大，指令数量越多，也说明芯片的功能越 强，运行程序的速度越快。Cortex 内核，是目前所有 ARM 系列 CPU 芯片中，功能最强，速度最快的一类。ARM9 系列 CPU 的速度是 200-400MHz，ARM11 系列是 400-800MHz，而 ARM Cortex A8/A9 高达 800-1000+MHz [7,8,9]。

ARM Cortex A8/A9 功能强，速度快，而且比较省电，这就是以 ARM Cortex A8/A9 为内核的手机 CPU 芯片，被市场推崇的原因。当然，假如 Intel 的第二代 Atom CPU，Moorestown，成功地降低了耗电量，那么就有可能冲击 ARM Cortex A8/A9 的霸主地位。

除了 ARM Cortex-A8 内核以外，OMAP3430 芯片还包含其它专用处理器内核。

1.  视频音频编码解码加速器 IVA2+，用于支持 MPEG4，WMV9，H.264 以及 RealVideo10 等等主流流媒体标准，实现视频会议，并让手机具备录制和播放 DVD 质量的视频的能力。

2.  PowerVR SGX 图形内核（GPU），用于增强 2D 和 3D 图片的渲染效果和速度。支持 OpenGL ES2.0 and OpenVG。

3.  图像信号处理内核（ISP），用来实现相机系统的高画质，强性能，和低成本。支持 12M 像素相机模块；实时 JPEG 图像压缩。

Figure 9.4 TI OMAP3430 CPU Architecture
Courtesy http://focus.ti.com.cn/graphics/wtbu/blockdiagrams/l4_omap3430.gif

选择什么样的 CPU 芯片，就基本决定了手机主板的结构。例如，TI 的 OMAP3430 芯片，本身不处理电源管理以及音频编码解码（Audio/Voice Codec），这两项工作，交给了 TWL5030 专用芯片处理，如 Figure 9.4 所示。因此，以 TI 的 OMAP3430 芯片为 CPU 的主板结构，与选用其它芯片为 CPU 的主板结构，在扬声器，耳机和话筒的连线上，有显著不同，参 见 Figure 9.5 中红框标识部分。

Figure 9.5 中上图为 Moto Droid 的逻辑结构图，下图为 iPhone 3GS 的。图中央的黑色方块，显示了应用程序处理器（AP）的 CPU，Moto Droid 的 CPU 是 TI 的 OMAP3430，而 iPhone 3GS 的 CPU 是 Samsung 的 S5PC100。Samsung S5PC100 芯片自身拥有音频编码解码的功能 [14]，所以 iPhone 3GS 的扬声器，耳机和话筒直接连线到 S5PC100 芯片上。

Figure 9.5  Moto Droid vs iPhone 3GS internal logical structures [15,16].
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4028/4351590146_a5c13eff04_o.png

Figure 9.5 中央有两个黑色方块，右边的是应用程序处理器（AP）的 CPU，左边的是基带处理器（BP）的 CPU。Moto 选用了高通（Qualcomm）的 QSC6085 芯片，作为 BP 的 CPU。而 iPhone 3GS 选用的是英飞凌（Infineon）的芯片。关于 BP 的结构，我们将在下一章介绍。

智能手机的主板，以 AP 和 BP 的 CPU 芯片为核心，理解了这两块芯片，就不难理解手机主板的逻辑结构，例如 Figue 9.5 显示的 Moto Droid 和 iPhone 3GS 两款手机的主板逻辑结构。

理解了主板逻辑结构以后，再看主板实物，就不至于眼花缭乱。Figure 9.6 显示的是 Moto Droid 和 iPhone 3GS 两款手机的主板实物照片。把 Figure 9.5 和 Figure 9.6 对照着看，有助于理解。需要注意的是，实物图中看不到 CPU 芯片，因为在主板中，CPU 和 RAM 是叠加在一起的。这个做法叫 Package on Package（PoP），它的好处主要是节省主板空间 [17]。

Figure 9.6 Moto Droid vs iPhone 3GS PCBs [15,16].
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4061/4351590148_f6a392d8b9_o.png

总结一下，本章简要介绍了智能手机的硬件结构。硬件结构中，CPU 芯片是核心，其它外围设备，包括 LCD，相机，扬声器，话筒等等，都围绕 CPU 芯片这个核 心布局连线。在 CPU 芯片内部，内核是关键。ARM 系列是目前主流的手机 CPU 内核。其中，最近几年很热门的是 ARM Cortex A8/A9。

下一章，我们将讨论智能手机中基带处理器（BP）的实现方式。比较各个不同的实现方式之间，有哪些差别，各自有什么优缺点, 以及 AP 与 BP 两者协作的方式。

Reference,

[1] Comparison of iPad and iPhone technical specs.
(http://www.apple.com/ipad/specs/; http://www.apple.com/iphone/specs.html)
[2] Intel sold StrongARM/XScale to Marvell for 600 million.
(http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=189601851)
[3] Intel drops Centrino Atom Brand after 5 months.
(http://www.pcworld.com/businesscenter/article/149791/
intel_drops_centrino_atom_brand_after_five_months.html)
[4] Intel demonstrates Moorestown smartphone.
(http://www.anandtech.com/cpuchipsets/showdoc.aspx?i=3716)
[5] Intel Keynote CES 2010, introducing Moorestown.
(http://www.engadget.com/2010/01/07/live-from-paul-otellinis-intel-ces-keynote/)
[6] Introduction to TI OMAP3430 micro-processor.
(http://focus.ti.com.cn/cn/general/docs/wtbu/wtbuproductcontent.tsp?
templateId=6123&navigationId=12643&contentId=14649)
[7] ARM Processor Survey. (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture)
[8] ARM Processor Selector. (http://www.arm.com/products/CPUs/core_selector.html)
[9] ARM Core Overview.
(http://digital.knu.ac.kr/lecture/
%EC%82%BC%EC%84%B1%ED%85%8C%ED%81%AC%EB%85%B8MBA/2_arm_core.pdf)
[10] Palm Pre technical spec. (http://pdadb.net/index.php?m=specs&id=1688&c=palm_pre_cdma)
[11] iPhone series technical spec. (http://en.wikipedia.org/wiki/IPhone)
[12] Moto Droid technical spec. (http://developer.motorola.com/products/droid/)
[13] Google Nexus One technical spec.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Nexus_One;

http://en.wikipedia.org/wiki/Snapdragon_%28processor%29)

[14] Samsung S5PC100 technical spec.
(http://www.samsung.com/global/business/semiconductor/support/
brochures/downloads/systemlsi/s5pc100_brochure_200902.pdf)
[15] Moto Droid teardown and analysis.
(http://www.phonewreck.com/2009/11/12/motorola-droid-teardown-analysis/)
[16] iPhone 3GS teardown and analysis.
(http://www.phonewreck.com/2009/06/19/iphone-3gs-teardown-and-analysis/)
[17] Package on Package introduction. (http://en.wikipedia.org/wiki/Package_on_package)