多媒體應(yīng)用需要多處理器SoC的設(shè)計

 

　移動電話正成為手持終端娛樂的中心，其同時也可作為復(fù)雜的寬帶無線電話發(fā)揮作用。用戶因為其的無線功能而選用移動電話，但一旦隨身攜帶，用戶則進(jìn)一步希望其還能作為PDA、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻播放機(jī)以及游戲機(jī)等。
　　開發(fā)這樣的多媒體設(shè)備面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是在服務(wù)質(zhì)量、響應(yīng)性以及電池壽命方面尤為如此。最終的解決方案在于依靠被高度集成到片上系統(tǒng)技術(shù)中的多個處理引擎。
　　請考慮用戶面臨的以下情境：
　　--消費(fèi)者使用無線電話作為帶耳機(jī)的MP3播放器，她同時還可以玩視頻游戲。音樂和游戲聲音必須混合在一起，這樣二者能夠同時出現(xiàn)，不會出現(xiàn)爆音或靜止。
　　--另一位消費(fèi)者正在觀看存儲在插入電話中閃存卡上的電影，這時他的母親來電話了。當(dāng)然他希望無線電話能夠告知他有人來電話，并顯示來電者身份。
　　--還有一位用戶正在參加視頻會議，但他還必須關(guān)注因特網(wǎng)上發(fā)布的臺風(fēng)警告。屏幕上的文本信息會為他提供新聞動態(tài)，不會造成視頻或音頻的中斷。
　　為了按照上述消費(fèi)者的期望提供必要的服務(wù)質(zhì)量，我們要求多個處理引擎同時工作

。單個處理器配置即便具備多媒體擴(kuò)展，可能也難以實(shí)時、同時應(yīng)對上述各種動態(tài)工作負(fù)載，因為它采用的是順序而不是并行的多任務(wù)處理方法。
　　為了能夠滿足同時出現(xiàn)的多媒體任務(wù)和用戶界面事件的要求，單個處理器必須始終在任務(wù)間進(jìn)行交換，這會導(dǎo)致很高的系統(tǒng)開銷。最終，任務(wù)交換會造成幀丟失、音頻爆音、視頻閃爍或斑紋。
　　工作負(fù)載情境
　　我們不妨舉一個例子，考慮兩個處理器運(yùn)行工作負(fù)載的情況，其中包括控制任務(wù)、用戶界面任務(wù)以及多媒體任務(wù)。處理器A使用單個處理引擎，在所有三個任務(wù)之間進(jìn)行上下文交換（Context Switching），這就造成開銷。處理器B使用兩個處理引擎（一個ARM和一個DSP），將處理多媒體的任務(wù)交由DSP完成。由于ARM處理器只需完成控制和用戶界面任務(wù)，這就大大降低了上下文交換開銷。即便處理器A運(yùn)行于快得多的時鐘速度上，從最終用戶角度來看，其結(jié)果也會遜于處理器B。
　　德州儀器公司 (TI) 的Omap 1611進(jìn)一步推出了多處理技術(shù)，其集成了ARM926、TI 55x DSP以及一系列針對視頻、Java及安全性的專用硬件加速器。為了實(shí)現(xiàn)最佳成本組合，ARM內(nèi)核與DSP內(nèi)核通過流量控制器可共享外部存儲器。
　　當(dāng)然，軟件的高度集成對兩個以上處理引擎并行工作以實(shí)現(xiàn)無縫性能是至關(guān)重要的。軟件的橋接功能可識別所要求的任務(wù)，并將其分配給最合適的處理器，在某些情況下，還會分配給尚未運(yùn)行的處理器。其也可以關(guān)閉不使用的處理引擎，并在需要時再將其打開。
　　這種多處理功能也有助于實(shí)現(xiàn)用戶期望的響應(yīng)性。用戶已習(xí)慣于等待 MP3 音樂從因特網(wǎng)上下載，他們想聽下載文件時，希望能夠?qū)x擇歌曲、控制音量和暫停等進(jìn)行操作，或?qū)崟r切換至另一應(yīng)用。用戶希望按鍵之后立即得到響應(yīng)。
　　在無線多媒體設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)這樣的響應(yīng)性并不像想像的那么簡單。原因在于，命令與控制功能、用戶界面和信號處理等在播放MP3歌曲時都是處于工作狀態(tài)的，從本質(zhì)上講，這要求不同類型的數(shù)據(jù)處理。用戶接口是一種高中斷活動，而信號處理則要求持續(xù)與高度重復(fù)地執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。
　　近期的經(jīng)驗顯示，不管性能集多豐富，客戶都不會選擇通話時間或待機(jī)時間大大低于他們已習(xí)慣的、目前第二代電話的無線多媒體設(shè)備。日本電信運(yùn)營商Docomo在推出其第三代電話時就此方面獲得了第一手經(jīng)驗。Docomo的第一批3G電話獲得的市場份額大大低于預(yù)期目標(biāo)。目前，該公司正在提供經(jīng)過重新設(shè)計的電話，待機(jī)電池使用時間超過200小時，并且工業(yè)設(shè)計與日本現(xiàn)有的2G電話更為接近，這樣，市場才開始接受3G機(jī)型。
　　盡管聽起來似乎與想當(dāng)然的看法相左，但一般說來多處理引擎的功耗確實(shí)低于單個處理核心設(shè)計，其電池壽命也更長。利用不同類型處理核心（RISC、DSP和硬件加速器）的各種功能，我們可以從性能和功耗角度就優(yōu)化的引擎給出合適的算法，而且可以根據(jù)需要啟用或關(guān)閉有關(guān)單元，從而進(jìn)一步延長電池使用時間。
　　DSP使用復(fù)雜的指令，使其可在單個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行若干數(shù)學(xué)運(yùn)算。RISC架構(gòu)與指令集一般僅允許在一個周期內(nèi)僅執(zhí)行一次運(yùn)算。因此，DSP處理MP3音樂或視頻流所需的周期遠(yuǎn)低于RISC芯片。此外，DSP內(nèi)核由內(nèi)部存儲器支持，而非由高速緩存支持。就緊湊的DSP循環(huán)而言，內(nèi)部SRAM可提供兩大優(yōu)勢：確定性執(zhí)行和功耗節(jié)省。
　　RISC核心可執(zhí)行諸如用戶接口及視頻顯示管理等高中斷命令與控制功能，這比DSP的效率高得多，且其執(zhí)行這些操作的功耗也比DSP低，特別是當(dāng)其不需要實(shí)時發(fā)生時更為如此。
　　硬件加速器既可增強(qiáng)性能，又能提高電源效率，但會降低靈活性和可升級性。TI為其Omap器件添加了上述加速器，以解決特定的專用加速任務(wù)，諸如Java、安全性和視頻、離散余弦轉(zhuǎn)換、反DCT、運(yùn)動估計以及像素插值等。
　　設(shè)計人員將多處理引擎運(yùn)用到其系統(tǒng)的核心，既可以滿足消費(fèi)者的當(dāng)前需求，又可以為將來的無線多媒體設(shè)備制定發(fā)展策略。
　　Avner Goren (avner@ti.com)現(xiàn)就任于 TI（位于達(dá)拉斯）的全球無線終端業(yè)務(wù)部。