利用西橋架構(gòu)有效管理多媒體手機(jī)數(shù)據(jù)流

如今的手機(jī)正逐漸成為融合多種技術(shù)的多功能設(shè)備。它們具有互聯(lián)網(wǎng)接入、Wi-Fi連接、一體化音樂回放、GPS導(dǎo)航、高質(zhì)量數(shù)碼相機(jī)、藍(lán)牙連接等功能，并且配備有標(biāo)準(zhǔn)的PC類接口，可用于開發(fā)和增加程序。隨著手持設(shè)備集成度的不斷提高，手機(jī)設(shè)計(jì)師越來(lái)越迫切地需要將音頻、視頻、互聯(lián)網(wǎng)和導(dǎo)航服務(wù)集成到單個(gè)設(shè)備上，必須設(shè)計(jì)出具有更大存儲(chǔ)容量和更快速外設(shè)接口的產(chǎn)品，以便支持對(duì)日益增加的多媒體數(shù)據(jù)的處理。

手機(jī)設(shè)計(jì)師已經(jīng)在體積、功耗、功能和價(jià)格方面面臨艱巨的市場(chǎng)挑戰(zhàn)。對(duì)多媒體功能的需求需要更大的存儲(chǔ)器和更快的連接性能，這直接影響到移動(dòng)設(shè)備的價(jià)格和尺寸，并限制了可選功能的范圍。雖然處理器制造工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)大約每?jī)赡昃颓斑M(jìn)一代，但存儲(chǔ)器技術(shù)是以每6個(gè)月的速度在更新?lián)Q代。因此手機(jī)設(shè)計(jì)師必須在創(chuàng)建穩(wěn)定成熟的平臺(tái)和集成那些要求更大存儲(chǔ)器和更快接口的下一代功能之間取得平衡，努力將總體尺寸、功率和成本保持在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域在20世紀(jì)90年代初存在類似的趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)與處理器連接的外設(shè)變化速度要比制造商發(fā)布新處理器的速度快得多。英特爾的解決方案是在處理器與存儲(chǔ)器及其他外設(shè)之間架設(shè)南橋和北橋。在手機(jī)中使用橋架構(gòu)與PC中的情況十分相似。為了區(qū)別于PC中的南橋和北橋，這種技術(shù)在手機(jī)中被稱為西橋，它給設(shè)計(jì)師提供了足夠的靈活性，使他們既能縮短設(shè)計(jì)周期，還能為最新存儲(chǔ)器和其他外設(shè)提供可靠、高速的接口。

移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)要求

移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存可傳送的數(shù)據(jù)量是有限的，但內(nèi)存可以通過(guò)在架構(gòu)中引入安全數(shù)字(SD)卡或多媒體卡(MMC)進(jìn)行擴(kuò)充，這項(xiàng)功能只需極低的額外成本，因此非常具有吸引力。

移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存首選是NAND閃存，這種閃存具有每比特成本低、密度高和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。NAND控制器實(shí)現(xiàn)方案將可用的NAND器件類型限定為單層單元(SLC)和多層單元(MLC)。MLC由于以同樣的價(jià)格可以提供更高的密度而越來(lái)越流行。雖然目前市面上支持NAND的移動(dòng)處理器大部分支持SLC NAND，但許多處理器也在增加MLC內(nèi)存以盡可能節(jié)省成本。

所有的NAND器件都需要某種控制器端處理開銷，以使器件壽命最大化?？刂破鞅仨毩私獯嬖诙嗌賶膲K(壞塊管理)，有些壞塊是制造商已標(biāo)記的，其他壞塊則是器件使用過(guò)程中逐漸變壞的。為了盡量減少后一種情況的塊數(shù)量，控制器可以采用磨損均衡技術(shù)，做到對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器件的均勻?qū)懭??？刂破鬟€應(yīng)利用ECC狀態(tài)機(jī)來(lái)管理錯(cuò)誤。對(duì)NAND管理的支持級(jí)別隨工藝節(jié)點(diǎn)而改變(NAND閃存是目前存儲(chǔ)器領(lǐng)域中工藝節(jié)點(diǎn)變化最快的器件之一)。

大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備架構(gòu)并沒有充分發(fā)揮NAND閃存擁有的性能和可靠性優(yōu)勢(shì)，因而不能提供應(yīng)有的深刻用戶體驗(yàn)。另外，雖然閃存密度在不斷提高，但移動(dòng)處理器無(wú)法跟上。如果設(shè)計(jì)師想保持可移動(dòng)和嵌入式內(nèi)存的靈活性，同時(shí)最大化設(shè)備性能，移動(dòng)架構(gòu)必須快速高效地支持不斷變化的NAND閃存要求。

多媒體手機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量要求

多媒體應(yīng)用要求能夠同時(shí)在移動(dòng)設(shè)備和PC上處理大量數(shù)據(jù)(PC一般用于管理下載到手機(jī)中的多媒體數(shù)據(jù))。下載通常是直接在手機(jī)和PC間通過(guò)USB電纜完成的。研究表明，用手機(jī)聽音樂的用戶中約80%通過(guò)PC下載音樂。照片、視頻和游戲也是采用相同的使用模式。要想實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)性，就必須具有向移動(dòng)設(shè)備快速傳送數(shù)據(jù)的能力，并且在手機(jī)上提供大量的內(nèi)存空間用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

USB是手機(jī)和PC之間進(jìn)行通信的首選方案，因?yàn)樗€(wěn)定、協(xié)議完善而且數(shù)據(jù)速率高。雖然低速USB主要用于人機(jī)接口設(shè)備，如鍵盤和鼠標(biāo)，而全速和高速USB能夠分別以12Mb/s和480Mb/s的速率傳送數(shù)據(jù)。目前的移動(dòng)處理器集成了全速USB，但全速USB對(duì)多媒體應(yīng)用所需的大量數(shù)據(jù)傳輸而言已經(jīng)不夠用了。

設(shè)計(jì)師不能坐等處理器制造商將高速USB集成入下一代器件。相反，他們使用專用的USB控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。遺憾的是，接口速度越快，加在主應(yīng)用處理器上的負(fù)擔(dān)就越重。

減輕處理器負(fù)載的方法之一是增加另外一個(gè)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)與PC的通信以及對(duì)NAND內(nèi)存的管理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是性能高，但使用第二個(gè)處理器會(huì)增加設(shè)備的價(jià)格、體積和功耗。另外一種方法是讓用戶使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)下載。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很擁擠，而且用戶也不愿負(fù)擔(dān)額外的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)用，更不用說(shuō)與直接和PC連接相比，這種無(wú)線連接方式速度慢、技術(shù)復(fù)雜且可靠性降低。

即使制造商努力在移動(dòng)處理器中集成新的內(nèi)存和外設(shè)接口，新的接口還是層出不窮。4GB或8GB的SD卡到今年底將增加到16GB。NAND閃存則在ECC實(shí)現(xiàn)、磨損均衡和壞塊管理方面性能越來(lái)越強(qiáng)。USB 3.0超速(4.8Gbps)規(guī)范也有望在今年完成。而設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是，面對(duì)變化日益加快的技術(shù)，移動(dòng)系統(tǒng)中使用的處理器在集成和支持方面的速度太慢。

西橋架構(gòu)

十年前PC解決類似問(wèn)題時(shí)采用的南橋和北橋確定了現(xiàn)在使用的處理器類型以及存儲(chǔ)器的類型與速度，使得處理器開發(fā)能獨(dú)立于系統(tǒng)的其他部分。北橋用來(lái)連接處理器和高速圖形總線，包含一個(gè)存儲(chǔ)器控制器，并連接到南橋。南橋用來(lái)連接系統(tǒng)和串行與并行I/O外設(shè)、PCI總線、板上圖形以及系統(tǒng)BIOS。

要解決手機(jī)中的數(shù)據(jù)吞吐量問(wèn)題，需要搞清楚目前移動(dòng)架構(gòu)中的瓶頸所在。舉例來(lái)說(shuō)，手機(jī)的主處理器需要連接手機(jī)的射頻模塊，并控制LCD、鍵盤、存儲(chǔ)器、音頻和照相機(jī)，還要控制與PC及其他外設(shè)的連接。處理器要處理的任務(wù)非常多，因此減輕它們的負(fù)擔(dān)可以極大地提高設(shè)備性能和用戶體驗(yàn)。這樣，由于數(shù)據(jù)吞吐量提高而增加的壓力無(wú)需添加第二個(gè)處理器或增大網(wǎng)絡(luò)流量就可以得到有效減輕。

為了將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)到與其連接的存儲(chǔ)器，處理器必須被中斷。一旦處理器準(zhǔn)備好，它就會(huì)將數(shù)據(jù)移送到SRAM進(jìn)行緩存，然后拷貝到存儲(chǔ)器件中。在這個(gè)過(guò)程里，處理器可能被中斷多次以執(zhí)行更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。處理器內(nèi)存接口可以在USB控制器和存儲(chǔ)器件之間共享。這種架構(gòu)將引入多處瓶頸，并且處理器必須保持較長(zhǎng)的工作周期。

如果要提高傳送速率和功效，就必須把處理器從數(shù)據(jù)路徑中移走。另外，數(shù)據(jù)必須沒有總線沖突地從主PC經(jīng)過(guò)直接數(shù)據(jù)路徑到達(dá)存儲(chǔ)器。橋可以解決所有這些問(wèn)題，并且不需要增加另外的處理器就能提供額外所需的功能，從而減輕了處理器存儲(chǔ)總線上的擁塞問(wèn)題，讓處理器去處理其他任務(wù)，并斷開存儲(chǔ)器技術(shù)節(jié)點(diǎn)與處理器之間的聯(lián)系。