便攜式多媒體設(shè)備的功率管理

便攜式設(shè)備的多媒體功能近年得到快速發(fā)展，性能也不斷提升，但隨之而來(lái)的功耗問(wèn)題對(duì)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。本文作者從系統(tǒng)架構(gòu)、存儲(chǔ)器、射頻傳輸?shù)葘用嬖敿?xì)探討了降低便攜式多媒體設(shè)備功耗的方法和思路。
　　
支持高質(zhì)量的多媒體功能是當(dāng)今2.5及3G通信設(shè)備所必備的一項(xiàng)重要技術(shù)。運(yùn)營(yíng)商需要提高每用戶平均消費(fèi)，而使用戶消費(fèi)更多的音視頻及數(shù)據(jù)服務(wù)則是運(yùn)營(yíng)商目前用來(lái)增加用戶平均消費(fèi)的一種途徑。關(guān)鍵應(yīng)用包括視頻會(huì)議、音視頻新聞剪輯、手機(jī)交互游戲等，然而用戶已開(kāi)始期望獲得類似于其起居室的影音設(shè)備上高質(zhì)量的多媒體體驗(yàn)。多媒體功能并非僅僅是遵循幾項(xiàng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，其質(zhì)量還必須值得用戶消費(fèi)。要滿足這樣質(zhì)量需要有各種多媒體功能，而這些功能又會(huì)增加功耗，這對(duì)于采用有限容量電池供電的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)具有一定挑戰(zhàn)。
　　
傳統(tǒng)上，智能電話等聯(lián)網(wǎng)便攜式設(shè)備的電池工作時(shí)間是信號(hào)傳輸時(shí)間的函數(shù)，因?yàn)樯漕l是便攜式設(shè)備中產(chǎn)生功耗最多的部分。但隨著2.5G及3G手機(jī)能實(shí)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)及多媒體應(yīng)用，人們很快發(fā)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)操作將產(chǎn)生比無(wú)線傳輸更多的功耗。
　　
為理解這一點(diǎn)，讓我們來(lái)看一下置于一個(gè)系統(tǒng)上的兩路視頻會(huì)議通信消耗功率的功能部分：攝像機(jī)(1)必須捕捉(2)用戶圖像并采用H.264等計(jì)算密集型算法將其編碼(3)，同時(shí)將輸入圖像譯碼(4)并輸出給顯示器(5)，并通過(guò)揚(yáng)聲器或耳機(jī)播放話音(6)。此外，這些操作所需的密集處理比簡(jiǎn)單的語(yǔ)音處理所需的處理密度高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但如果由于電池的問(wèn)題你只能有20分鐘的通話時(shí)間，這樣的視頻會(huì)議服務(wù)有誰(shuí)會(huì)去使用呢？電池壽命作為便攜式設(shè)計(jì)考慮中的重要因素在此時(shí)變得比以往更為關(guān)鍵。

從系統(tǒng)架構(gòu)考慮低功耗設(shè)計(jì)
　　
完全加電的單芯片架構(gòu)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓及工作頻率來(lái)管理功耗，降低工作頻率可以使器件工作于較低電源電壓上，意味著器件將消耗更低的功率。由于器件自己并不能知道在某一特定時(shí)刻將運(yùn)行何種負(fù)載，因此開(kāi)發(fā)商可以通過(guò)模型來(lái)仿真系統(tǒng)，并通過(guò)軟件機(jī)制來(lái)管理功率，。
　　
單芯片架構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是處理器必須能滿足系統(tǒng)最大負(fù)載情況的處理。由于用戶只是偶爾調(diào)用全部系統(tǒng)資源，這意味著處理器的各部分都在消耗功率，而處理器的所有功能很少被同時(shí)全部使用。例如，密碼加速器引擎即使沒(méi)有數(shù)據(jù)加密也在消耗功率。許多便攜式應(yīng)用的處理器，例如意法半導(dǎo)體的Nomadik應(yīng)用處理器等，都能通過(guò)讓你關(guān)掉器件目前不用的部分來(lái)降低功耗。對(duì)于擁有多個(gè)加速引擎的設(shè)備，例如那些必須采用多媒體處理器的設(shè)備等，這將有效地提高效率。關(guān)掉器件的部分組成電路比管理頻率及電壓更加容易，但你會(huì)發(fā)現(xiàn)很難掌握實(shí)際功耗，因?yàn)槟惚仨氝M(jìn)行精細(xì)的控制。當(dāng)然，采用低功耗外設(shè)也能有效降低功耗。例如，你可以通過(guò)選用功耗較低的照相機(jī)來(lái)節(jié)省功率。
　　
像這樣在系統(tǒng)層面上成功地管理功率，要求在你的設(shè)計(jì)中擁有良好的連通性及接口靈活性。如果你不得不通過(guò)增加額外的芯片來(lái)使用功耗較低的顯示器或揚(yáng)聲器，則這些額外的芯片已經(jīng)消耗掉了一部分你可能節(jié)省的功率。集成在你核心設(shè)計(jì)中的接口可創(chuàng)造一種能使你方便地增加或去除外圍器件的中心架構(gòu)(見(jiàn)圖1)，這種靈活性同時(shí)也讓你能用同樣的基本架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)出系列產(chǎn)品線。例如，你可以根據(jù)不同應(yīng)用來(lái)分別采用LCD單顯、高分辨率彩顯或觸摸屏等。從理論上講，你只須改變內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序就可實(shí)現(xiàn)你的不同設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
　　
靈活性也能擴(kuò)展至架構(gòu)中的處理單元。多媒體標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常變化，而且應(yīng)用本身也在以一種難以預(yù)期的方式發(fā)展，支持可編程對(duì)于保持與未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)、以及采用該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容的兼容性非常重要，但必須以硬件加速來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量播放。例如以專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG4可在一定程度上減少系統(tǒng)成本，但必須以犧牲系統(tǒng)可升級(jí)性及增加設(shè)備尺寸與功耗為代價(jià)。

而使用外圍器件則可用中心架構(gòu)來(lái)保留最大的靈活性及處理能力，在這種架構(gòu)內(nèi)，多媒體處理既不是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)也不是用純軟件使處理速度減慢，而是由各種編解碼器的加速引擎支持。例如，目前的視頻會(huì)議方案采用H.263標(biāo)準(zhǔn)，但轉(zhuǎn)向H.264將是大勢(shì)所趨。由于H.264標(biāo)準(zhǔn)具有更高的復(fù)雜性，故H.263專用器件將不能支持新的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
軟件設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
　　
可擴(kuò)展性不能僅僅是增加器件成本。軟件是電話制造投資中最大的一塊。軟件必須能適應(yīng)擁有各種屏幕尺寸、位于不同方向上的各種分辨率攝像機(jī)，以及要求用各種編解碼器來(lái)輸出不同圖像質(zhì)量的設(shè)備(見(jiàn)圖2)。
　　
關(guān)于創(chuàng)作值得購(gòu)買的內(nèi)容所提出的挑戰(zhàn)超出了本文討論的范圍，然而OEM們正面臨內(nèi)容提供的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)閮?nèi)容提供商會(huì)要求嚴(yán)格控制其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。他們不僅要求各種數(shù)字版權(quán)管理機(jī)制、某些機(jī)密及專有權(quán)，同時(shí)還要求確保高質(zhì)量的回放。