多媒體應用需要多處理器SoC的設計

 

　移動電話正成為手持終端娛樂的中心，其同時也可作為復雜的寬帶無線電話發揮作用。用戶因為其的無線功能而選用移動電話，但一旦隨身攜帶，用戶則進一步希望其還能作為PDA、MP3播放器、數碼相機、攝像機、視頻播放機以及游戲機等。
　　開發這樣的多媒體設備面臨著巨大的技術挑戰，特別是在服務質量、響應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技術中的多個處理引擎。
　　請考慮用戶面臨的以下情境：
　　--消費者使用無線電話作為帶耳機的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，不會出現爆音或靜止。
　　--另一位消費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，但他還必須關注因特網上發布的臺風警告。屏幕上的文本信息會為他提供新聞動態，不會造成視頻或音頻的中斷。
　　為了按照上述消費者的期望提供必要的服務質量，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展，可能也難以實時、同時應對上述各種動態工作負載，因為它采用的是順序而不是并行的多任務處理方法。
　　為了能夠滿足同時出現的多媒體任務和用戶界面事件的要求，單個處理器必須始終在任務間進行交換，這會導致很高的系統開銷。最終，任務交換會造成幀丟失、音頻爆音、視頻閃爍或斑紋。
　　工作負載情境
　　我們不妨舉一個例子，考慮兩個處理器運行工作負載的情況，其中包括控制任務、用戶界面任務以及多媒體任務。處理器A使用單個處理引擎，在所有三個任務之間進行上下文交換（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交由DSP完成。由于ARM處理器只需完成控制和用戶界面任務，這就大大降低了上下文交換開銷。即便處理器A運行于快得多的時鐘速度上，從最終用戶角度來看，其結果也會遜于處理器B。
　　德州儀器公司 (TI) 的Omap 1611進一步推出了多處理技術，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。為了實現最佳成本組合，ARM內核與DSP內核通過流量控制器可共享外部存儲器。
　　當然，軟件的高度集成對兩個以上處理引擎并行工作以實現無縫性能是至關重要的。軟件的橋接功能可識別所要求的任務，并將其分配給最合適的處理器，在某些情況下，還會分配給尚未運行的處理器。其也可以關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現用戶期望的響應性。用戶已習慣于等待 MP3 音樂從因特網上下載，他們想聽下載文件時，希望能夠對選擇歌曲、控制音量和暫停等進行操作，或實時切換至另一應用。用戶希望按鍵之后立即得到響應。
　　在無線多媒體設備中，實現這樣的響應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的，從本質上講，這要求不同類型的數據處理。用戶接口是一種高中斷活動，而信號處理則要求持續與高度重復地執行復雜的數學運算。
　　近期的經驗顯示，不管性能集多豐富，客戶都不會選擇通話時間或待機時間大大低于他們已習慣的、目前第二代電話的無線多媒體設備。日本電信運營商Docomo在推出其第三代電話時就此方面獲得了第一手經驗。Docomo的第一批3G電話獲得的市場份額大大低于預期目標。目前，該公司正在提供經過重新設計的電話，待機電池使用時間超過200小時，并且工業設計與日本現有的2G電話更為接近，這樣，市場才開始接受3G機型。
　　盡管聽起來似乎與想當然的看法相左，但一般說來多處理引擎的功耗確實低于單個處理核心設計，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化的引擎給出合適的算法，而且可以根據需要啟用或關閉有關單元，從而進一步延長電池使用時間。
　　DSP使用復雜的指令，使其可在單個時鐘周期內進行若干數學運算。RISC架構與指令集一般僅允許在一個周期內僅執行一次運算。因此，DSP處理MP3音樂或視頻流所需的周期遠低于RISC芯片。此外，DSP內核由內部存儲器支持，而非由高速緩存支持。就緊湊的DSP循環而言，內部SRAM可提供兩大優勢：確定性執行和功耗節省。
　　RISC核心可執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，且其執行這些操作的功耗也比DSP低，特別是當其不需要實時發生時更為如此。
　　硬件加速器既可增強性能，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，諸如Java、安全性和視頻、離散余弦轉換、反DCT、運動估計以及像素插值等。
　　設計人員將多處理引擎運用到其系統的核心，既可以滿足消費者的當前需求，又可以為將來的無線多媒體設備制定發展策略。
　　Avner Goren (avner@ti.com)現就任于 TI（位于達拉斯）的全球無線終端業務部。