Android I - 论山寨手机与 Android 联姻的技术基础 山寨手机的兴起，离不开 MTK(联发科)。MTK为手机制造提供了一揽子解决方案，其中既包括硬件，也包括软件。软件方面最重要的，是操作系统。MTK方案的软件的稳定性非常高，一方面是因为其硬件系统变化不大，另一方面，得益于MTK在系统软件上投入的巨额的资金和大量的人力。MTK采用的操作系统是Nucleus RTOS。Nucleus的优势主要在于占用CPU时间短，以及占用Memory空间少。随着手机硬件的发展，Nucleus的优势不再那么重要，而日益突出的问题，是需要功能更强大的手机操作系统。 2007年11月，Google发布Android OS，剑指手机操作系统市场，并开源免费。两年来，Android获得了相当热烈的市场回应。有没有可能用Android取代Nucleus，实现山寨手机的升级换代？ 这个问题不容易回答，因为涉及到的方方面面比较多。
 Figure 1. 传说中的Google自有品牌手机 Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2708/4148369461_db9417013f_o.jpg Hardware Engineer是硬件工程师，Software Engineer是软件工程师，那么桌上放着示波器和逻辑分析仪的Software Engineer是什么呢？是Firmware Engineer固件工程师，或者Embedded Engineer嵌入式工程师。最近有幸与一位有过数年市场经验的固件工程师讨论了以上问题，把讨论的内容整理成文，方便大家共同切磋。 当然，“有没有意愿”这种问题，只有相关企业的CEO才知道答案。我们这里只关注技术方面的可行性，以及利弊分析。 Reference, [1] 联发科MT6516智能手机芯片。(http://www.shanzhaiji.cn/news/20090220/7579.html) [2] 联发科MT6516为何不支持Android。(http://www.free-voip-china.com/tag/mt6516/) [3] Microsoft and MediaTek to develop smartphone chipsets. (http://www.cn-c114.net/583/a395734.html) MTK亮相的历史背景如果说1960年代是大型机(Mainframe)的时代，1970年代是小型机(Microcomputer)的时代，那么1980年代无疑是个人电脑(PC)的时代，而1990年代则是互联网的时代。2000年以后呢？或许是移动互联网的时代。 与电脑的发展历程类似，移动互联网的发展轨迹，看来也同样是以硬件的改进为先导，软件的繁荣紧随其后，带动整个行业的井喷式的爆发性增长。  Figure 2. 第一代手机，俗称大哥大。 Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2711/4149584622_1338223724_o.jpg 1980年代，手机开始商用。第一代手机俗称大哥大，特点是无线网络通讯信道中传输的是模拟信号。传输模拟信号有两个缺点，一是耗电，二是同一频段能够同时容纳的用户数量少。因为耗电，所以手机必须携带大块的电池，导致体积庞大，形如板砖。街头流氓打架时，常常捡起地上的板砖砸人，如果随身携带着大哥大，情急之时也可以把大哥大当板砖用。  Figure 3. 以DSP为核心的第二代手机的硬件架构 [4]。 Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2751/4146507443_9601fd7d08_o.png 为什么传输模拟信号，会有耗电以及频段容量低的缺点？对比一下数字信号就清楚了。如果把语音转换成数字，就可以采取数据压缩的办法，减少传输语音时占用的带宽。同时由于数字信号容易处理，所以在传输数字语音信号时，可以使用复杂的传输协议与控制，以便在同一频段，同时容纳更多用户相互通话。而对于模拟信号，很难使用类似的协议与控制。 第二代手机的核心，是数字信号处理器，DSP(Digital Signal Processor)。第二代手机的硬件架构，如Figure 3 所示，分为三部分。 1. 射频芯片组 (Radio Subsystem)。它负责调制-发送，以及接收-解调无线信号。无论是发送还是接收，射频芯片组只处理模拟信号。 2. 模拟基带芯片组 (Analog Baseband)。这个芯片组中，主要包括两个功能块，射频接口(RF Interface)，以及音频接口(Audio Interface)。 射频接口负责把从射频芯片组接收来的模拟信号，转换成数字信号，转发给数字信号处理器(DSP)，以及把DSP输出的数字信号，转换成模拟信号，转发给射频芯片组以便发送。 音频接口负责把从麦克风接收来的模拟信号，转换成数字信号，然后转发给DSP做进一步处理。同时，它也负责把DSP输出的数字信号，转换成模拟信号，然后转发给喇叭以便播放。 3. 数字基带芯片组 (Digital Baseband)。这个芯片组主要由两部分构成，数字信号处理器(DSP)，以及微控制器(Microcontroller)。 DSP的主要任务是进行语音处理，例如去除噪音和语音矫正等等。此外DSP还负责，对语音数据流的压缩解压，不同格式之间的编码解码和转换，还有加密解密等等。如果单块DSP芯片的功能不够，还可以借助于其它专用芯片(ASIC)。 微处理器负责两个任务，1. 处理无线通信协议，2. 运行手机操作系统。 当一位用户拨号呼叫另一位用户时，首先要建立一个通话通道，连接主叫方与被叫方。双方对话的语音数字信号，在这个通话通道里传输。七号信令系统负责建立这个通话通道[5]。为了保证信息安全，以及提高系统效率，采取了分离控制流与数据流的做法，也就是说，七号信令系统是一套独立的系统，游离于承载语音数字信号的通话通道之外。 七号信令由一系列协议组成，与有线网络协议的ISO七层模型大致对应，参见Figure 4。微处理器负责处理七号信令的第一层到第三层协议，MTP1，MTP2，MTP3。  Figure 4. Comparison SS7 Protocol Suite and ISO Protocol Model [6] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2742/4152165133_959a2cb7a3_o.jpg 手机操作系统，例如Nucleus RTOS，负责处理如何开机/关机/锁机，屏幕显示，音量控制，响铃与震动等等外围动作。此外，还负责手机各个功能模块的运行调度 (Scheduling)，以及不同进程间的数据交换(IPC)。虽然DSP在手机中的地位非常重要，但是DSP仍然接受手机操作系统的控制。 微控制器处理的数据，存放在Flash存储器中。 第二代手机的核心任务是实时通讯，表现为通话与短信两种功能。围绕实时通讯这个核心，操作系统具体协调各部分的工作。与用户的交互手段，依赖于十几个按键，以及一小块单色液晶显示屏。1998年开始销售的Nokia 5165，是第二代手机的一个经典，参见Figure 5。  Figure 5. 第二代手机，Nokia 5165，1998年 Courtesy http://i1.phonearena.com/showimage.php?m=Phones.Images&f=image&id=7252&v=default Reference, [4] Trends in Hardware Architecture for Mobile Devices. (http://www.inf.fu-berlin.de/inst/pubs/tr-b-04-17.abstract.html) [5] Signaling System 7, SS7. (http://en.wikipedia.org/wiki/Signaling_System_7) [6] Comparison SS7 Protocol Suite and ISO Protocol Model. (http://www.kenneyjacob.com/2007/06/05/ss7-backbone-of-mobile-networks/) 手机OS成为核心手机凭借通话和短信这两项基本功能，积累了用户，开拓了市场。但是用户的需求是永无止境的，对于手机制造商来说，紧跟用户需求，拓展手机功能，是机会也是挑战。 1988年第一款数码相机，在日本上市。数码相机的关键是感光芯片。最初的数据相机，使用的是CCD芯片。1990年代初，美国宇航局的科学家Eric Fossum发明了CMOS感光芯片，体积更小，感光效果更好。如果把CMOS感光芯片集成到手机上去，那么手机就可以兼具照相机和摄像机的功能。 但是事情没有那么简单，给手机配上镜头以及CMOS感光芯片只是起步，接下去还有其它问题需要解决。1. 微控制器的处理能力需要加强。2. 操作系统需要增添相应的驱动程序，同时改进任务调度的机制。3. 多媒体播放器，在液晶显示屏上（LCD）显示照片，播放视频，同时协调扬声器同步播放视频的声音。4. 不仅可以在手机本地存储并显示照片和视频，还要支持连网，支持用户上传和下载多媒体文件。 1997年，硅谷工程师Philippe Kahn制成了世界第一台具有摄像功能的手机。与相机手机同时出生的，是他的女儿。Philippe用手机给襁褓中的女儿拍了照片，并转发给2000多名亲友，这是人类历史上，第一次用手机拍摄，并通过移动网络散发的照片[7]。 从此，多媒体成为手机不可或缺的功能。此外，手机还添加了日历，记事本，计算器，音乐播放器等等功能。以及Java VM，以便运行用J2ME编写的程序。还有WAP，用于访问互联网。 第二代手机的使命结束了，取而代之的是第三代手机，也就是所谓功能手机（Feature Phone）。如果说，对于第二代手机而言，DSP是核心，操作系统是配角。那么自从Feature Phone以来，操作系统的功能大大强化了，地位也上升了，由配角熬成了主角。 Feature Phone的OS有多种选择。其中，Symbian长期占据Feature Phone OS市场的半壁江山[8]。曾几何时，Symbian OS叱诧风云，一言九鼎，俨然是手机操作系统领域的霸主。举个例子，从严格意义上来说，Symbian OS是操作系统内核（Kernel）。同一套内核可以支持多种GUI图形界面，当年曾经出现S60，MOAP和UIQ三种GUIs，其中UIQ被索爱（SonyEricsson）热捧。作为手机制造商，索爱是Nokia的竞争对手。坊间传说，Nokia因为恨屋及乌，决定打压UIQ。2008年，Nokia指使Symbian Fundation出面宣布，今后Symbian OS只支持S60一款GUI。被冷落的UIQ别无选择，只好关门大吉[9]。  Figure 6. Mobile OS marketshare recent history [10] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2568/4153933833_bdd657cde7_o.png 但是近年来，手机操作系统市场急剧动荡。带头造反的是Apple的iPhone OS，第二冲击波来自Google的Android，此外还有Palm的WebOS凑热闹，参见Figure 6。有评论认为， 1. Symbian老矣，很难逃脱日薄西山的命运。 2. iPhone特立独行，走精品路线，成为时尚风向标。 3. Android稳扎稳打，免费开源，走群众路线，将来最有可能成为手机OS的主流，取代Symbian的盟主地位。 4. WinMobile偏安一隅，虽不大富，却也小康。 5. WebOS喧嚣一时，如昙花一现。 6. RIM的未来在于投靠强人门下。假如自立山头，则前途暗淡。不仅自毙，而且有可能殃及热销中的黑莓手机（BlackBerry）。 Nucleus OS在哪里？这是一个被市场遗忘的角落。  Figure 7. Nucleus OS Functional Modules [11] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2560/4152533296_eceecd1965_o.gif 但是在2000年，MTK借力Nucleus OS，从一家默默无名的IC Design House，发展成为2009年一季度世界第20名芯片销售大户，参见Figure 8。更重要的是，MTK颠覆了传统的手机制造产业链。 MTK最初靠什么发家？技术上有什么优势？商业模式上有什么优势？且听下回分解。  Figure 8. Top 20 Semiconductor Sales Leaders, Q1, 2009 [12] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2752/4154795958_eda5f2f9d0_o.jpg Reference, [7] Philippe Kahn created the first camera phone in 1997. (http://en.wikipedia.org/wiki/Philippe_Kahn) [8] Mobile OS market share.(http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_operating_system) [9] UIQ history. (http://en.wikipedia.org/wiki/UIQ, http://en.wikipedia.org/wiki/Symbian_Foundation) [10] iPhone and Android in two-horse smartphone OS race. (http://arstechnica.com/apple/news/2009/11/admob-iphone-and-android-in-two-horse-smartphone-os-race.ars) [11] Nucleus OS modules. (http://www.mentorg.co.jp/products/embedded_software/nucleus_rtos/mainColumnParagraphs/2/content_files/file/ill-nucleus.gif) [12] Chaos reigns in top 20 semiconductor company ranking. (http://www.evertiq.com/news/14176) 手机是怎样生产出来的？要说清楚MTK在商业模式上有什么优势，以及Android对于MTK未来的手机开发会有什么影响，首先得了解手机从设计，开发到生产的整个过程。 让我们先来看看手机的生产过程。在生产制造环节，山寨手机和正牌手机的区别其实不大。 1. 装配主板 大多数电子设备的制造过程，实际上就是按照设计图纸把各部分部件组合在一起，手机也不例外。手机的主要部件有：1. 硬件主板，目前大部分的手机是单板结构，2. 天线，3. 键盘，4. 显示屏，5. 外壳。其中主板是关键部件。各个手机制造商的技术能力不同，在手机制造产业链中的定位也不同。有实力的厂家会从Gerber文件开始，自己生产PCB板。而不具备PCB生产能力的小厂，可以向其它厂家订购已经生产好的PCB板。Figure 9 是一款MTK出品的PCB板。 Figure 9. 一款MTK出品的PCB板 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2638/4165315089_04cccc5383_o.jpg 有了PCB板以后，就可以着手印刷和贴片。随着技术发展，老式的过孔型的PCB板已经几乎绝迹，现代PCB板大部分采用表面贴装技术。贴装工序分三步。 1. 把PCB板送入印刷机，印刷机把焊锡（Solder Paste)通过模板印刷在需要焊接的部位，参见Figure 10。 2. 把印刷好焊锡的PCB板送入贴片机，贴片机把元器件贴装在PCB板上，Figure 11。小的元器件是装在大盘上，大一些的从塑料管中送进贴片机的，Figure 12。 3. 把贴好的板子送入回流焊机，经预热，加热后，元器件就焊装在PCB板上了。Figure 13显示的是焊接好的主板。 Figure 10. 印刷机把焊锡通过模板印刷在PCB板需要焊接的部位 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2642/4166073144_858c9b9df6_o.jpg Figure 11. 贴片机把元器件贴装在PCB板 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2738/4166074266_048dae75b2_o.jpg Figure 12. 贴片机近景，小的元器件装在大盘上，大一些的从塑料管中送入贴片机 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2661/4169062298_565433bd94_o.jpg Figure 13. 焊接好的手机主板 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2660/4166077558_91bc66bf8e_o.jpg 制造过程强调质量控制，质量控制体现在多个环节。 1. 生产线上配备多种自动设备，检测各个工序是否工作正常。Figure 14 显示的是手机生产线上的一个产品质量显示器。 2. 焊接好的手机主板被送入测试台，测试台给手机主板加电测试，Figure 15。 3. 如果各项指标合格，就可以进入下一工序，安装系统软件。没通过的就需要手工检验和修复，Figure 16。举个例子，有的IC是正方形的，贴的时候有可能被转了90度。 Figure 14. 手机生产线上的一个产品质量显示器 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2670/4165330751_b326843496_o.jpg Figure 15. 测试台给手机主板加电测试 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2562/4165321507_de2b35349f_o.jpg Figure 16. 手工检验和修复 [13] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2572/4166083106_e63709dcb5_o.jpg 2. 烧录系统软件 硬件制造结束并检验合格后，下一步是烧录手机系统软件。手机系统软件是以Flash Image的形式，存放在工作站里面。把手机主板，通过串口或者USB口，与工作站相连。然后启动工作站里的安装程序，把系统软件烧到手机主板上的闪存里，Figure 17。一台工作站可以同时烧录几十台手机裸板。 Figure 17. 手机系统软件安装工作台 [15] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2543/4168191161_f66d9740ce_o.jpg 3. 装配外围设备 有一些部件，是无法使用回流焊机这样的自动设备，需要手工处理。Figure 18 显示的是在主板上手工焊接手机话筒。有些零部件不需要焊接，手工装配，或者拧螺丝即可。Figure 19，装配无须焊接和螺丝的手机部件。Figure 20，装外壳。Figure 21，手工贴手机编码串号。 Figure 18. 手工焊接手机话筒 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2640/4168962000_7b8b2cf9a0_o.jpg Figure 19. 手工装配无须焊接和螺丝的手机部件 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2544/4168985040_f7f4ddb504_o.jpg Figure 20. 手工装配手机外壳 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2517/4168217589_ac6c4594de_o.jpg Figure 21. 手工贴手机编码串号 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2546/4168228041_ab02af61db_o.jpg 4. 校准和检测 手机组装结束以后，还需要检测辐射量，发射功率，待机时间等等，另外还有一些部件校准，例如天线。Figure 22 估计是在校准天线。Figure 23 在测试声音。大厂会用更专业的检测仪器，Figure 24. Figure 22. 可能是在校准天线 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2606/4168243487_9b4b9841db_o.jpg Figure 23. 测试声音 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2785/4169007364_43fdd90aee_o.jpg Figure 24 更专业的检测仪器 [16] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2623/4170586975_4bbbe14b62_o.jpg, http://farm3.static.flickr.com/2577/4171352084_c49427bdbb_o.jpg, http://farm3.static.flickr.com/2560/4171357448_f740bf3a91_o.jpg 5. 打包出厂 前叙工序都完成以后，就可以打包出货了，Figure 25。 Figure 25. 打包准备出厂的山寨机 [14] Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2702/4168249409_348a63a654_o.jpg 由此，我们可以明白手机的生产过程和其它所有电子设备的生产几乎相同。能不能生产手机，一方面离不开必要的资金，去购置生产设备和培训员工。另一方面，需要得到软硬件的设计方案。而后者可能更重要。软硬件的设计包括以下内容。 1. 主板设计，或者Gerber文件，或者PCB板。 2. 系统软件。 3. 需要组装的全部元器件的清单（BOM List）。 4. 配套的外壳。 1. 2.属于设计，3. 4. 属于采购。一旦得到了软硬件的设计方案，以及BOM List，就可以从市场上采购，备料，然后就可以开始制造了。问题是，谁提供软硬件的设计方案以及BOM List呢？ Reference, [13] 山寨手机制造大揭秘。（http://news.xinhuanet.com/it/2009-02/02/content_10749450.htm） [14] 山寨新闻调查。（http://laiba.tianya.cn/laiba/CommMsgs?cmm=34721&tid=2645440990215816570&ref=commmsgs-paging&na=3&nst=501&pno=11&cpno=9&nid=34721-2645440990215816570-2655961375168415098） [15] 友利通手机高层领导访谈记实。（http://www.unitone.com.cn/newsshow.asp?id=76） [16] Metrico for mobile device performance assessment。（http://www.metricowireless.com/services/index.php） |
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