多媒體應(yīng)用處理器效能強(qiáng)化關(guān)鍵

標(biāo)簽：多媒體 應(yīng)用處理器

行動(dòng)終端裝置由于多媒體應(yīng)用廣泛，而且對質(zhì)量的要求更甚以往，例如，2D顯示提升為3D顯示，而同時(shí)進(jìn)行影音、通訊、導(dǎo)航…等任務(wù)，已是基本應(yīng)用!從基頻處理器外分出專用多媒體應(yīng)用處理器，甚至還必須大規(guī)模強(qiáng)化多媒體應(yīng)用處理器效能，應(yīng)付日漸繁重的處理需求…

圖說：行動(dòng)終端裝置應(yīng)用愈來愈豐富，但系統(tǒng)能應(yīng)用的資源卻相對有限，如何讓裝置展現(xiàn)最佳多媒體呈現(xiàn)效果?處理器架構(gòu)與效能絕對是重要關(guān)鍵!時(shí)下如PDA、PMP、PND…都需要極高運(yùn)算效能支持，架構(gòu)最佳化多媒體應(yīng)用處理器與系統(tǒng)環(huán)境，已是這類行動(dòng)裝置實(shí)用價(jià)值的重要基礎(chǔ)…

手機(jī)、數(shù)字電視、數(shù)字相機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航裝置(PND)、可攜式播放機(jī)(PMP)…等，處理原本主要用途的組件，稱為基頻處理器(Baseband Processor)，不過在多媒體運(yùn)用，特別是愈強(qiáng)調(diào)質(zhì)量的影音播放用途，已超越基頻處理器的處理能力，因此，多媒體應(yīng)用處理器(Multimedia Application Processor)，成為行動(dòng)裝置中協(xié)同處理器一員。

換言之，多媒體應(yīng)用處理器原本只是行動(dòng)裝置內(nèi)眾多處理器的1種，以手機(jī)為例，內(nèi)部處理器根據(jù)IDC定義，有高階多媒體應(yīng)用處理器(High-End Multimedia Application Processor)、基頻或整合式基頻處理器(Integrated Baseband Processor)、操作系統(tǒng)應(yīng)用處理器(OS Application Processor)、多媒體應(yīng)用處理器(Multimedia Applications Processor)、多媒體協(xié)同處理器(Multimedia Co-processor)、相機(jī)影像協(xié)同處理器(Camera Coprocessor)、及LCD屏幕控制器(LCD Controller)等7種。

上述眾處理器中，現(xiàn)今多媒體應(yīng)用無論質(zhì)與量都與時(shí)俱進(jìn)的市場趨勢，多媒體應(yīng)用處理器在許多原本并非職司此道的行動(dòng)裝置上，反成了重要組件!其設(shè)計(jì)與發(fā)展趨勢足以影響行動(dòng)裝置整體表現(xiàn)。

高質(zhì)量多媒體應(yīng)用漸多　多媒體應(yīng)用處理器強(qiáng)化效能

多媒體應(yīng)用處理器發(fā)展迄今，第1個(gè)重要的設(shè)計(jì)方向，便是強(qiáng)化效能。作法分為2類，其一是在原本架構(gòu)上，作更進(jìn)一步加強(qiáng)、調(diào)校，直接的作法是提升頻率，并非線性提升，更重視每頻率所能帶來的效率(如MIPS或DMIPS/MHz)，所以，微架構(gòu)調(diào)整也相當(dāng)重要。

多媒體應(yīng)用處理器微架構(gòu)強(qiáng)化方向相當(dāng)多，舉例而言，使用更高效率超純量管線(Super-scale Pipeline)，讓單一頻率能執(zhí)行多重指令;強(qiáng)化浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，如加快單倍與雙倍精準(zhǔn)度純量運(yùn)算作業(yè)速度，并加入額外16位浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換指令，增進(jìn)與嵌入型3D處理器間數(shù)據(jù)交換速度;內(nèi)建多媒體處理單元(Media Processor Engine)，支持SIMD運(yùn)作模式，如每周期能處理8、16、32位整數(shù)與32位浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)據(jù)，甚至支持混合數(shù)據(jù)類型，排除封裝/解封裝耗費(fèi)的資源，及結(jié)構(gòu)化加載/儲(chǔ)存功能，讓數(shù)據(jù)不必于演算格式與機(jī)械格式間來回轉(zhuǎn)換。

在微架構(gòu)外部方面，可強(qiáng)化與內(nèi)存間存取效率，如加大快取容量/頻寬、降低遲延，解決L1/L2快取間的一致性問題，例如，設(shè)立1個(gè)偵測控制單元(Snoop Control Unit;SCU)然而，任何接觸內(nèi)存中的關(guān)聯(lián)區(qū)域存取，SCU都將進(jìn)行監(jiān)控，測試要求的信息是否已儲(chǔ)存在處理器L1快取中，若信息已存于快取內(nèi)，就直接傳回發(fā)出要求組件，否則會(huì)利用最佳化算法，盡量使數(shù)據(jù)盡可能利用L2快取，藉此排除直接寫入芯片外部內(nèi)存衍生的功耗，并提高整體效能。

單核心最佳化，面臨多任務(wù)處理時(shí)發(fā)生瓶頸，例如，1個(gè)行動(dòng)終端可能同時(shí)進(jìn)行視訊/音訊播放、導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)庫搜尋、無線傳輸…等工作，效能再強(qiáng)大的單一多媒體應(yīng)用處理器，往往也因此捉襟見肘，所以，多核心成最佳解決方案。不過此處必須說明，這里談的并非基頻/多媒體應(yīng)用處理器封裝在一起的異質(zhì)多核心架構(gòu)，而是多媒體應(yīng)用處理器本身就采用同質(zhì)多核心運(yùn)作。

多核心架構(gòu)帶來效能提升，在軟件支持環(huán)境下，利用新增指令讓多核心處理器于程序執(zhí)行時(shí)，動(dòng)態(tài)從超純量執(zhí)行切換成執(zhí)行多個(gè)并行執(zhí)行緒，建立程序內(nèi)執(zhí)行多執(zhí)行緒機(jī)制，僅雙核心針對譯碼MPEG-2效能，就比單核心提高52%!不過，多核心真正的價(jià)值，除直接效能性提升外，更重要的是多核心處理器還能充分利用不同應(yīng)用指令間的平行處理(Instruction-Level Parallelism;ILP)和執(zhí)行緒階層平行化(threading-Level Parallelism;TLP)，換言之，具較高ILP與TLP應(yīng)用，對于多核心架構(gòu)適應(yīng)力較高，效能提升幅度也會(huì)更大。

至于采多核心的負(fù)面影響，則分為硬件與軟件方面。硬件方面是在寸土寸金的行動(dòng)終端裝置，多了1組核心，就表示多1倍晶體管，但多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，效能卻并非等比提升1倍，但目前半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，多核設(shè)計(jì)可有程度不等的晶體管共享(如L2快取或內(nèi)存邏輯控制電路共享…等)，降低多核芯片尺寸與功耗。

反而軟件問題比較復(fù)雜，例如，多個(gè)執(zhí)行緒甚至應(yīng)用程序存取同1個(gè)內(nèi)存區(qū)塊問題，如果，某1個(gè)程序沒有針對多核心運(yùn)作最佳化，可能就會(huì)讓系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，因應(yīng)多核環(huán)境修正嵌入式軟件與針對多核心最佳化，是目前推展多核心多媒體應(yīng)用處理器頗大的阻礙。

不過，總體來看，就如同x86處理器在頻率發(fā)展遭遇高耗能與高熱瓶頸后，即透過多核心抒解的發(fā)展軌跡，多媒體應(yīng)用處理器采多核心抒解性能瓶頸，也是必然趨勢，不過多核心對于芯片面積更為敏感，因此，半導(dǎo)體制程進(jìn)展成為開發(fā)關(guān)鍵。此外，多核心架構(gòu)的省電機(jī)制設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要，如果分配得宜，能比單核心更省電、且效能更高。

圖說：多媒體應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，是彈性架構(gòu)與效能強(qiáng)化，以適應(yīng)各種裝置需求。(Toshiba)

圖說：多核心運(yùn)作可強(qiáng)化處理器架構(gòu)，也是多媒體應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)趨勢，但軟件支持度仍有待考驗(yàn)。(ARM)