智能手機(jī)開機(jī)就緒性能的研究

摘要：介紹了影響雙核結(jié)構(gòu)智能手機(jī)開機(jī)性能的主要因素，提出了一種可行的軟件改進(jìn)方案得以大幅度提升智能移動(dòng)電話或其它基于此架構(gòu)的便攜式設(shè)備的開機(jī)應(yīng)用就緒時(shí)間這一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，使其具備更為突出的綜合性能表現(xiàn)和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；雙核；IPC；開機(jī)就緒時(shí)間

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)25-1592-02

Power-up Performance Research of the Mobile Smart Phone

SHENG Yi-zhe

(Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210014， China)

Abstract: An enhancement proposal is introduced to speed up the power-up ready time of the dual-core architected Smart phone. Based on the analysis of the Smart phone architecture， the root cause is identified to the IPC packet size between AP and BP. An optimized value is determined eventually rather than bigger or smaller ones. It is able to dramatically enhance the performance of the power up time and make it to be acceptable for the practical product.

Key words: mobile phone; dual-core; Inter-processor-communication; power-up time

1 引言

在智能手機(jī)的嵌入式軟件開發(fā)過程中，通常都會(huì)涉及到手機(jī)從加電開機(jī)到主要應(yīng)用就緒這一關(guān)鍵指標(biāo)的考核，因其發(fā)生在手機(jī)系統(tǒng)最為繁忙的階段，所以更能夠反映手機(jī)的綜合性能，各大終端設(shè)備制造商對(duì)其亦給予了高度重視，謀求各種可行的方法以竟可能大的提升其性能，縮短這一時(shí)間。本文通過分析智能手機(jī)軟件結(jié)構(gòu)出發(fā)，從具體的同類設(shè)備之間表現(xiàn)的差異著手，嘗試改變其中的關(guān)鍵參量，找到了影響這一性能指標(biāo)的主要因素及其作用原理，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案并驗(yàn)證了正確，合理性，為業(yè)界在此方面提供了頗具價(jià)值的技術(shù)參考與借鑒。

2 智能手機(jī)軟件基本架構(gòu)

智能手機(jī)區(qū)別與普通手機(jī)的一個(gè)主要特征是其具有更為突出的多媒體表現(xiàn)能力和與個(gè)人電腦或其它便攜式設(shè)備之間的無縫對(duì)接共享能力，包括圖形，影像，視頻，高品質(zhì)聲音回放及不同平臺(tái)，設(shè)備上的軟件共享等功能。正由于此，智能手機(jī)通常是雙核結(jié)構(gòu)，即負(fù)責(zé)各種應(yīng)用表現(xiàn)的應(yīng)用處理器(AP)和專職無線通信部分的基帶處理器(BP)，它的優(yōu)勢(shì)是將復(fù)雜的多媒體應(yīng)用處理與通信協(xié)議和數(shù)字信號(hào)處理分開由AP 和BP各司其職，以發(fā)揮各自芯片的最大效能，這比傳統(tǒng)手機(jī)單一的DSP芯片統(tǒng)一處理功能更強(qiáng)，效率更高。同時(shí)雙核結(jié)構(gòu)可分別運(yùn)行不同的軟件操作系統(tǒng)，如BP運(yùn)行更注重實(shí)時(shí)能力的RTOS系統(tǒng)，AP運(yùn)行主流的嵌入式系統(tǒng)以保證與其它設(shè)備間的軟件兼容與互操作性，如微軟的WinCE，開放論壇的Linux或移動(dòng)廠商聯(lián)盟的Symbian系統(tǒng)。

圖1顯示了智能手機(jī)典型雙核軟件架構(gòu)，AP基于WinCE系統(tǒng)，主要分應(yīng)用層，包括提供各種用戶操作界面的應(yīng)用程序，如“電話簿”，“SIM卡管理’等，服務(wù)層如手機(jī)接口RIL，應(yīng)用管理器等，和驅(qū)動(dòng)層如鍵盤，屏幕驅(qū)動(dòng)；BP是RTOS系統(tǒng)，包括核心通信任務(wù)CORE，AT指令解釋任務(wù)，SIM卡讀寫服務(wù)任務(wù)SIMap等，AP，BP是通過處理器間通信模塊(IPC)來完成相互之間的信息交流，如控制信息發(fā)送，響應(yīng)數(shù)據(jù)返回等。在此由異步收發(fā)器(UART)實(shí)現(xiàn)，遵循GSM27.10多路復(fù)用傳輸規(guī)范，AP，BP間通常是通過AT指令集進(jìn)行交互．故IPC所承擔(dān)的橋梁紐帶作用是顯而易見的，同時(shí)其可靠性和效能也很大程度上決定了AP，BP的工作性能。其中一個(gè)重要體現(xiàn)就是前言中提及的開機(jī)就緒時(shí)間。我們知道手機(jī)“電話簿”，“聯(lián)系人”或“短消息”是其幾個(gè)主要應(yīng)用，故需要開機(jī)后盡快就緒，其中它們所需的大量數(shù)據(jù)都存于SIM卡中，通常SIM數(shù)據(jù)讀寫是由BP來實(shí)際完成，AP則通過發(fā)送AT指令經(jīng)IPC，請(qǐng)求BP傳輸所需數(shù)據(jù)來提供給AP端的各應(yīng)用程序(也有少數(shù)體系由AP完成所有SIM的訪問工作，此種情況不在本文討論范圍)。由于SIM本身較慢的讀寫特性，需要在一開機(jī)就載入內(nèi)存以備快速訪問，所以SIM卡數(shù)據(jù)的開機(jī)讀取速度就構(gòu)成開機(jī)就緒指標(biāo)的關(guān)鍵因素，如何降低此數(shù)值是我們關(guān)注的重心。

3 現(xiàn)有問題

基于對(duì)雙核結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，我們研究了某品牌手機(jī)的兩款相關(guān)產(chǎn)品，分析了上述性能指標(biāo)改善的可行性。其中之一MT1是普通的單核單處理器加RTOS操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，另一款MT2是雙核智能手機(jī)，其AP采用的是WinCE系統(tǒng)，BP使用與前者幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)和RTOS模塊，差別僅在于它不再具備所有原用戶應(yīng)用層功能而移交至新的AP端處理，實(shí)際上可認(rèn)為BP主要起到無線通信中modem的作用。

MT1和MT2兼容同一類SIM卡，其中包含有多達(dá)1000條電話聯(lián)系人記錄，由于前述原因需要在開機(jī)時(shí)立即從SIM讀入緩沖內(nèi)存，然后應(yīng)用程序如電話簿，才能建立內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)管理這些記錄，在此之前用戶只能等待其就緒。所以SIM的讀取時(shí)間構(gòu)成了這一過程的最主要因素。通過對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)得MT1與MT2在開機(jī)SIM讀取速率上存在比較大的差異，其中MT2花費(fèi)了比MT1多出5倍的時(shí)間，由于二者結(jié)構(gòu)相似，我們將其進(jìn)一步細(xì)化為AP，BP獨(dú)立的讀取載入時(shí)間，如圖2所示，據(jù)此可以較清楚地看出，SIM數(shù)據(jù)的實(shí)際內(nèi)存載入對(duì)MT1和MT2的BP基本都是固定的約30秒，理論上而言，由于此后均為快速的內(nèi)存操作，MT1和MT2 均應(yīng)很快達(dá)到就緒狀態(tài)，但實(shí)際上MT2花費(fèi)了更長(zhǎng)時(shí)間才完成，這一現(xiàn)象引起我們的關(guān)注，考慮到二者的結(jié)構(gòu)差異，AP，BP本身內(nèi)存操作時(shí)間相比SIM讀寫是可以忽略不計(jì)的，MT2多花的時(shí)間應(yīng)該在AP和BP間的IPC傳輸上，經(jīng)過對(duì)AP端相關(guān)軟件模塊的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用層所要求的SIM紀(jì)錄經(jīng)服務(wù)層RIL解析最終轉(zhuǎn)換成AT指令發(fā)至IPC驅(qū)動(dòng)層是以單條紀(jì)錄請(qǐng)求為單位發(fā)往BP的，BP也是以單條紀(jì)錄發(fā)回響應(yīng)，這樣多達(dá)上千條的SIM記錄就需要上千個(gè)AT請(qǐng)求指令和對(duì)應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，如此一來，AP，BP花費(fèi)在IPC上的時(shí)間反而可能比傳輸SIM本身的有效數(shù)據(jù)還長(zhǎng)，也即是IPC效率非常低，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，證實(shí)了這一重要推斷：MT2開機(jī)就緒時(shí)間指標(biāo)的惡化根源是由IPC這一瓶頸因素造成的。

4 改進(jìn)

基于上述的發(fā)現(xiàn)和推斷，我們提出一種改進(jìn)其性能的方案設(shè)想：擴(kuò)展IPC中AT請(qǐng)求指令集以允許一次請(qǐng)求多條記錄，同時(shí)增加響應(yīng)數(shù)據(jù)包的容量，以支持多記錄格式，如此來減少AP，BP間請(qǐng)求和響應(yīng)的數(shù)量，從而在保證提供同樣有效數(shù)據(jù)的前提下，提高IPC的整體效率，以達(dá)到加快開機(jī)就緒的總目標(biāo)。以下為AP和BP兩方面所做的具體嘗試。

4.1 AP

修改服務(wù)層代碼，使得從應(yīng)用層發(fā)來的SIM數(shù)據(jù)請(qǐng)求，不再象過去那樣以最小化的單一記錄分割，代之以支持一次多條記錄模式，這種改進(jìn)需要更底層的IPC驅(qū)動(dòng)也擴(kuò)展相應(yīng)的AT指令，針對(duì)WinCE系統(tǒng)，需要在RIL增加新的IOCTL處理記錄的分割，和接收新數(shù)據(jù)包的解析，定義新的AT控制指令以支持多記錄請(qǐng)求。

4.2 BP

同樣的，在BP端需要增加對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展AT控制指令解釋單元，使AP多記錄請(qǐng)求能夠得以識(shí)別處理，如數(shù)據(jù)記錄的格式化拼裝，同時(shí)配置BP端IPC發(fā)送/接收器(Tx/Rx)支持多記錄的大數(shù)據(jù)包傳送。

經(jīng)過上述的改進(jìn)，我們驗(yàn)證了這種通過增加單次有效數(shù)據(jù)請(qǐng)求來減少總的IPC的請(qǐng)求-響應(yīng)的交互方案的確能夠顯著提高IPC的工作效率，但是我們也發(fā)現(xiàn)單純的減少交互數(shù)量，當(dāng)達(dá)到某個(gè)最優(yōu)值后，再增加單次有效數(shù)據(jù)量或減少傳輸請(qǐng)求包，反而會(huì)使總傳輸時(shí)間增加，深入分析，原來是由于當(dāng)BP多記錄響應(yīng)數(shù)據(jù)包大小超過某個(gè)值后，該值與BP端IPC中實(shí)際的發(fā)送/接收器Tx/Rx的單次吞吐能力密切相關(guān)，響應(yīng)包太大，Tx/Rx就不得不花費(fèi)更多時(shí)間來分割它，當(dāng)超出合理范圍后，Tx/Rx的效率反而會(huì)降低到使BP的IPC成為系統(tǒng)的瓶頸。

5 結(jié)果驗(yàn)證

由此推斷IPC中的單次多記錄傳輸并非越多越好，而是有一個(gè)最優(yōu)值，圖3給出了我們的最終試驗(yàn)曲線圖，結(jié)果與前述的分析和判斷吻合的很好，證實(shí)了確實(shí)存在一個(gè)最優(yōu)化值使得IPC能夠以最佳效能工作。在此試驗(yàn)中，單次10條的記錄請(qǐng)求可以使試驗(yàn)的智能手機(jī)開機(jī)就緒時(shí)間最快縮短為改進(jìn)前的1/3，極大幅度的改善了系統(tǒng)的性能和關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。

6 結(jié)論

由AP和BP構(gòu)建的雙核體系的智能手機(jī)，反映其綜合性能的開機(jī)就緒時(shí)間這類關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其中的主要影響因素為SIM卡數(shù)據(jù)的首次讀取，及該數(shù)據(jù)在AP，BP間的傳輸效率。此效率很大程度上取決于單次傳遞的數(shù)據(jù)大小與總包數(shù)目。如果單次數(shù)據(jù)小而總包數(shù)大，傳輸瓶頸發(fā)生在AP端，反之傳輸瓶頸將出現(xiàn)在BP端，因此存在一個(gè)最優(yōu)化值使得傳輸瓶頸不會(huì)出現(xiàn)在任意一方，也即是能夠使得此時(shí)的系統(tǒng)工作效率最高，相關(guān)的關(guān)鍵性能指標(biāo)表現(xiàn)最佳。設(shè)計(jì)開發(fā)人員的主要目標(biāo)就是根據(jù)自身產(chǎn)品特征找到這一最優(yōu)配置。推而廣之，本文所論述的原理和改進(jìn)方法不僅適用于智能手機(jī)，而且適用于絕大多數(shù)基于雙核體系架構(gòu)的智能化移動(dòng)終端，便攜式設(shè)備，如個(gè)人數(shù)字助理PDA，PocketPC，對(duì)講機(jī)，步話機(jī)，全球定位儀GPS等。

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