Android裝置軟硬體整合技術 - 全文

　　Android在過去一直扮演后起之秀的角色，切入智慧型手機的速度似乎慢了蘋果的iOS一步，但與Apple相同的是，它也成功的將其應用從手機移植到了平板電腦(Tablet PC)上。Android開放原始碼(Open Source)的特性，能輕易地提高廠商對自家產(chǎn)品的接受度，更不用提背后Google的強力撐腰能帶來多大的經(jīng)濟效益。目前可見包括手機廠商HTC、Motorola、SAMSUNG，以及電腦大廠HP與Dell等皆投向Android的懷抱，Android被廣泛應用可說是勢在必行。

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　　Android OS市場占有率變化

　　盡管Android系統(tǒng)的普及看似指日可待，但在實際的產(chǎn)品應用上，也有其可能產(chǎn)生的問題風險。Android作為一個開放式的作業(yè)系統(tǒng)，是Google提供廠商的作業(yè)系統(tǒng)參考架構(reference design)，廠商能有充足的發(fā)揮空間，以Android為基礎向上開發(fā)設計自家產(chǎn)品，但也因為這樣的開放性與自由性，讓廠商在軟硬體結合的這個環(huán)節(jié)必須下更大的功夫，像是如何挑選合適的硬體包括基頻處理器、通訊晶片、觸控感應晶片、天線與記憶體模組等，以及如何調整出最適當?shù)能涹w設定等，更重要的是如何將軟硬體整合，開發(fā)出差異化的產(chǎn)品。這中間所有的細節(jié)都會對產(chǎn)品最終樣貌產(chǎn)生莫大的影響，像是其功能的完整度、使用介面的設計、效能表現(xiàn)(例如觸控滑動畫面、開啟程式所需時間)、品質可靠度、甚至是后續(xù)的韌體升級動作等等。在此百佳泰便試圖以專業(yè)中立的測試實驗室角度，來點出廠商應用Android于手機、平板電腦或其他裝置時應注意的開發(fā)重點，以希冀作為一個有效的參考資訊。

　　解構Android基本技術架構

　　首先我們先來看到Android的基本技術架構，Android是以Linux為核心，并采用軟體堆迭(software stack)的架構延伸發(fā)展的一套軟體平臺與作業(yè)系統(tǒng)。根據(jù)下圖可以看出，其基本架構分為五層：

　　*Android Structure by Google

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　　Linux核心(Linux Kernel)：以Linux開發(fā)提供最底層的核心系統(tǒng)服務，包括安全性 (Security)、、記憶體管理(Memory Management)、進程管理(Process Management)、網(wǎng)路堆迭(Network Stack)與驅動程式模型(Driver Model)。

　　Android執(zhí)行環(huán)境(Android Runtime)：透過Core Libraries(核心函式庫)以及暫存器型態(tài)的Dalvik Virtual Machine(Dalvik虛擬機器)來執(zhí)行程式。

　　系統(tǒng)函式庫(Library)：使用C/C++函式庫的系統(tǒng)元件以供呼叫使用，開發(fā)者可透過上層的應用程式框架來運用這些功能，這也是主要Android裝置的效能關鍵。

　　應用程式框架(Application Framework)：被設計來簡化元件的再運用，開發(fā)者能完整存取使用與核心應用程式(Core Application)相同的API，應用程式可以發(fā)布功能并為其它應用程式所使用(需受限于其安全性限制)，開發(fā)者也可運用同樣的機制來新增與置換元件。

　　應用程式(Application)：所有Android應用程式皆是以Java程式語言編寫，原始就會包含像是Email、簡訊、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)絡人等其它應用程式，讓使用者一開始就擁有這些基本功能，開發(fā)者也可在此客制其使用介面。

　　廠商越想要設計出與原始設定不同且增強效能的產(chǎn)品，便越需要對這五層架構進行修改。譬如像是多工處理能力(multi-tasking)，便可能需要修改包括Linux核心與應用程式框架的設計;而應用程式的開發(fā)者更可能需要針對應用程式與框架進行調整。由此可見，對Android裝置而言，任何一個功能的置入或是對硬體設定的細微更動，都需要對Android系統(tǒng)進行從下到上的調整以達到最優(yōu)化的效能，而這正是最為困難與需要驗證的一環(huán)。

　　Android裝置軟硬體整合的五大技術環(huán)節(jié)

　　如前所述，對眾家開發(fā)廠商而言最大的挑戰(zhàn)其實在于，如何將自己理想的產(chǎn)品訴求，與Android系統(tǒng)巧妙結合成一個功能完整并使用流暢順手的產(chǎn)品，這其中牽涉了不同技術間的整合與運用。在此我們便根據(jù)其多年的測試與研究經(jīng)驗，歸納出五大Android相關裝置在技術整合上的重要環(huán)節(jié)：

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　　一、Linux驅動程式的導入

　　由于Android是根源于Linux所延伸出來的作業(yè)系統(tǒng)，因此各種關鍵功能的驅動程式也必須要能順利的寫入其中，舉凡像是字元裝置、記憶體的空間配置、中斷處理、網(wǎng)路通訊、螢幕顯示或是連接介面像是USB與PCI的驅動程式，這些可能是自行撰寫、或是來自不同元件廠商的驅動程式，都必須要能被導入到Android系統(tǒng)，并維持良好穩(wěn)定的效能表現(xiàn)。

　　二、系統(tǒng)單晶片的優(yōu)化處理

　　對廠商而言，開發(fā)一款Android裝置，不僅僅只是將所有零組件組合成為一個產(chǎn)品那么容易，最大的學問便在于將系統(tǒng)單晶片(System-on-a-chip，SoC)、各種新技術和Android系統(tǒng)進行整合，SoC涉及像是Dalvik Virtual Machine、OpenGL、V8、Webkit Engine等上層的演算，與Android間的結合便必須透過不斷的嘗試與驗證，才能研發(fā)出既符合成本效益、又有良好效能的優(yōu)化產(chǎn)品。目前市面上有些SoC廠商已針對Android系統(tǒng)的特性，提供整合過的SoC平臺，將藍牙、相機或上網(wǎng)等常用功能模組預先寫入，減少終端成品廠商費力整合開發(fā)的時間，但對廠商而言，這樣的預先整合是否適合自身產(chǎn)品，以及是否需要再作更細致的修改，則又是更困難的課題。

　　三、新技術的移植

　　隨著技術的快速發(fā)展，更多新興的技術規(guī)格也逐漸應用在手機等手持裝置上，以手機為例，已經(jīng)從過去以撥打電話為主要功能，轉變?yōu)閾碛懈鞣N多樣化用途的產(chǎn)品。像是觸控技術讓消費者可以透過手指的滑動傳送指令甚至是具備多點觸控的支援、Wi-Fi模組提供隨時無線上網(wǎng)的可能、通用圖形處理器(General-purpose computing on graphics processing units，GPGPU)則能以并行方式透過圖形處理器來執(zhí)行通用計算任務、Android 2.3版所支持的NFC近場通訊技術，以及更高階的相機模組等等，背后都有各自的驅動程式與軟體技術，也必須要與Android系統(tǒng)相結合使用。

　　四、效能表現(xiàn)的穩(wěn)定

　　盡管上述這些技術不斷推陳出新，但也都不能因此而犧牲裝置原本的效能表現(xiàn)，讓處理速度因此變慢或造成使用上不順暢的狀況。除了采用更好的硬體設備外(例如現(xiàn)今處理器的時脈已邁向1GHz)，更需要作業(yè)系統(tǒng)的支持，像是如何在多工運作的狀況下維持程式執(zhí)行速度以及系統(tǒng)滿載的處理等等，都必須要透過軟體面的奧援。也就是說，一臺Android裝置除了要能將各種功能與技術收納起來、將軟硬體整合外，更必須同時注重它在效能上能否維持應有的水準，以提供使用者在操作上流暢易上手的感受。

　　五、低電耗設計

　　Android的設計概念主要是應用于可攜式裝置上，目前市面上可見的像是平板電腦與智慧型手機等。對這類產(chǎn)品而言，電池續(xù)航力的好壞可說是影響消費者使用感受的關鍵之一，試想，若是一臺智慧型手機的待機時間過短，而使用者在外時又無法隨時充電使用，不能即時的連網(wǎng)查詢資料或執(zhí)行其他手機功能，這樣的產(chǎn)品便失去了它作為可攜式行動裝置應有的便利性。追根究底，良好的待機時間除了需仰賴高容量的電池以提供充足電力之外，另一個重點就是裝置本身在被使用執(zhí)行時能否作到低電耗設計。Android裝置讓使用者能透過各種多樣化的應用程式，來達到各種不同的使用目的，舉凡像是單純上網(wǎng)、觀看新聞、郵件推播或是游戲等等，各種不同功能的程式都能透過自由下載使用，也由于其多工處理與讓程式背景執(zhí)行的能力，更讓降低耗電量成為開發(fā)者不可輕忽的一項課題。

　　持續(xù)驗證修正 找出最佳Android整合方案

　　正如前面我們不斷提到的，對Android裝置而言，最困難的開發(fā)挑戰(zhàn)便在于如何完美地”整合”軟體與硬體，以開發(fā)出一項功能完整又同時注重使用者感受的產(chǎn)品。從對Android本身程式碼的修改、相關硬體的選擇，到驅動程式的結合運用以及能否維持穩(wěn)定的效能表現(xiàn)等，在在都必須要透過仔細的研究與不斷的嘗試，才能找出問題的根源并解決、更進而找出最合適的整合方案。

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　　附圖我們歸納出一些在Android裝置上經(jīng)常出現(xiàn)的問題與其可能肇因，而這些也都是開發(fā)廠商必須重視卻可能忽略的一環(huán)。像是Android原始碼中對音源的重新取樣(Re-sampling)設計，就會導致裝置在讀取48K音源時重新取樣成44K，而造成諧波失真的現(xiàn)象影響音質，這便是廠商不會注意到而未去修改的問題;另外像是天線位置的設計，也可能直接的影響到收訊能力的好壞;而不良的電源管理設計，也極有可能影響到裝置在持續(xù)使用狀態(tài)中的耗電情形。百佳泰在此僅以專業(yè)測試驗證實驗室的角度，希冀以宏觀的方式，針對Android裝置的開發(fā)設計提供可用的參考，近期內我們也將會提供實際的相關測試數(shù)據(jù)報告，并進一步指陳這些可能的問題風險，以期讓更多廠商與消費者都能注意到品質驗證的重要性，是從產(chǎn)品設計的根源就要開始層層把關。