多媒体应用需要多处理器SoC的设计

 

　移动电话正成为手持终端娱乐的中心，其同时也可作为复杂的宽带无线电话发挥作用。用户因为其的无线功能而选用移动电话，但一旦随身携带，用户则进一步希望其还能作为PDA、MP3播放器、数码相机、摄像机、视频播放机以及游戏机等。
　　开发这样的多媒体设备面临着巨大的技术挑战，特别是在服务质量、响应性以及电池寿命方面尤为如此。最终的解决方案在于依靠被高度集成到片上系统技术中的多个处理引擎。
　　请考虑用户面临的以下情境：
　　--消费者使用无线电话作为带耳机的MP3播放器，她同时还可以玩视频游戏。音乐和游戏声音必须混合在一起，这样二者能够同时出现，不会出现爆音或静止。
　　--另一位消费者正在观看存储在插入电话中闪存卡上的电影，这时他的母亲来电话了。当然他希望无线电话能够告知他有人来电话，并显示来电者身份。
　　--还有一位用户正在参加视频会议，但他还必须关注因特网上发布的台风警告。屏幕上的文本信息会为他提供新闻动态，不会造成视频或音频的中断。
　　为了按照上述消费者的期望提供必要的服务质量，我们要求多个处理引擎同时工作

。单个处理器配置即便具备多媒体扩展，可能也难以实时、同时应对上述各种动态工作负载，因为它采用的是顺序而不是并行的多任务处理方法。
　　为了能够满足同时出现的多媒体任务和用户界面事件的要求，单个处理器必须始终在任务间进行交换，这会导致很高的系统开销。最终，任务交换会造成帧丢失、音频爆音、视频闪烁或斑纹。
　　工作负载情境
　　我们不妨举一个例子，考虑两个处理器运行工作负载的情况，其中包括控制任务、用户界面任务以及多媒体任务。处理器A使用单个处理引擎，在所有三个任务之间进行上下文交换（Context Switching），这就造成开销。处理器B使用两个处理引擎（一个ARM和一个DSP），将处理多媒体的任务交由DSP完成。由于ARM处理器只需完成控制和用户界面任务，这就大大降低了上下文交换开销。即便处理器A运行于快得多的时钟速度上，从最终用户角度来看，其结果也会逊于处理器B。
　　德州仪器公司 (TI) 的Omap 1611进一步推出了多处理技术，其集成了ARM926、TI 55x DSP以及一系列针对视频、Java及安全性的专用硬件加速器。为了实现最佳成本组合，ARM内核与DSP内核通过流量控制器可共享外部存储器。
　　当然，软件的高度集成对两个以上处理引擎并行工作以实现无缝性能是至关重要的。软件的桥接功能可识别所要求的任务，并将其分配给最合适的处理器，在某些情况下，还会分配给尚未运行的处理器。其也可以关闭不使用的处理引擎，并在需要时再将其打开。
　　这种多处理功能也有助于实现用户期望的响应性。用户已习惯于等待 MP3 音乐从因特网上下载，他们想听下载文件时，希望能够对选择歌曲、控制音量和暂停等进行操作，或实时切换至另一应用。用户希望按键之后立即得到响应。
　　在无线多媒体设备中，实现这样的响应性并不像想像的那么简单。原因在于，命令与控制功能、用户界面和信号处理等在播放MP3歌曲时都是处于工作状态的，从本质上讲，这要求不同类型的数据处理。用户接口是一种高中断活动，而信号处理则要求持续与高度重复地执行复杂的数学运算。
　　近期的经验显示，不管性能集多丰富，客户都不会选择通话时间或待机时间大大低于他们已习惯的、目前第二代电话的无线多媒体设备。日本电信运营商Docomo在推出其第三代电话时就此方面获得了第一手经验。Docomo的第一批3G电话获得的市场份额大大低于预期目标。目前，该公司正在提供经过重新设计的电话，待机电池使用时间超过200小时，并且工业设计与日本现有的2G电话更为接近，这样，市场才开始接受3G机型。
　　尽管听起来似乎与想当然的看法相左，但一般说来多处理引擎的功耗确实低于单个处理核心设计，其电池寿命也更长。利用不同类型处理核心（RISC、DSP和硬件加速器）的各种功能，我们可以从性能和功耗角度就优化的引擎给出合适的算法，而且可以根据需要启用或关闭有关单元，从而进一步延长电池使用时间。
　　DSP使用复杂的指令，使其可在单个时钟周期内进行若干数学运算。RISC架构与指令集一般仅允许在一个周期内仅执行一次运算。因此，DSP处理MP3音乐或视频流所需的周期远低于RISC芯片。此外，DSP内核由内部存储器支持，而非由高速缓存支持。就紧凑的DSP循环而言，内部SRAM可提供两大优势：确定性执行和功耗节省。
　　RISC核心可执行诸如用户接口及视频显示管理等高中断命令与控制功能，这比DSP的效率高得多，且其执行这些操作的功耗也比DSP低，特别是当其不需要实时发生时更为如此。
　　硬件加速器既可增强性能，又能提高电源效率，但会降低灵活性和可升级性。TI为其Omap器件添加了上述加速器，以解决特定的专用加速任务，诸如Java、安全性和视频、离散余弦转换、反DCT、运动估计以及像素插值等。
　　设计人员将多处理引擎运用到其系统的核心，既可以满足消费者的当前需求，又可以为将来的无线多媒体设备制定发展策略。
　　Avner Goren (avner@ti.com)现就任于 TI（位于达拉斯）的全球无线终端业务部。