多媒体手机在满足传统语音通信的同时还必须提供稳定、高质量的多媒体表现,传统的单处理器方案不能满足这些并行任务的处理能力要求,采用具有视频、Java技术" target=_blank>Java和安全专用硬件加速器的多处理器引擎系统级芯片能有效解决这些多媒体任务要求,并能有效降低系统功耗。
手机正在成为手持式娱乐中心,同时作为高端的宽带无线电话使用。用户携带手机是为了使用其无线功能,但同时也希望它具有PDA、MP3播放器、数码相机、摄像机、视频播放器和游戏机功能。然而,开发这样的一个多媒体设备具有更大的技术挑战,特别是在服务质量、反应速度和电池寿命等关键性能方面。解决这些问题的方法是将多个处理引擎集成到系统级芯片中。
通常用户使用手机时可能会出现下面的情况:
1.一个用户在使用其无线电话通过耳机听MP3音乐,同时玩一个视频游戏。音乐和游戏音响必须结合在一起,这样它们就能同时进行,但不能出现声音断断续续的现象。
2. 另一个用户正在观看存储在其电话记忆卡里的电影,这时他妈妈来了电话。当然,他希望其手机能告诉他有电话打进,并知道是谁在打电话。
3. 第三个用户在进行视频会议,但他同时还希望能及时看到网络上传过来的龙卷风警报。屏幕上的一个文本消息应给他带来最新的新闻,但又不干扰视频或音频信号。
要满足这些应用并提供用户所期望的服务质量需要多个处理引擎并行工作。单个处理器的配置即使具有多媒体功能扩展也难以实现实时处理这些并行的动态任务,因为它采用的是连续的而不是并行的多任务处理方法。为满足同时发生的多媒体任务和用户接口事件的实时要求,单个处理器必须在任务中间不断切换,造成巨大的系统开销。其结果可能造成帧丢失、音频停顿、视频闪烁或其它不良现象。
下面以两个处理器运行由控制任务、用户接口任务和多媒体任务组成的多任务为例(见图):A处理器采用的是单个处理引擎,处理器在三个任务之间切换,增加了处理器开销；B处理器采用的是两个处理引擎(一个ARM处理器和一个DSP),卸载多媒体任务给DSP,由于只有控制和用户接口任务留在ARM处理器上,所以大大降低了切换开销。即使A处理器运行在更高的时钟速度下,对于用户来说,其性能表现还是很差。
以TI的Omap1611为例,该芯片集成了一个ARM926处理器、一个TI 55x DSP,以及一组视频、Java和安全专用硬件加速器。为优化成本效益,ARM内核和DSP内核通过一个流量控制器共用一个外置存储器。
要实现两个或以上并行工作的处理引擎的无缝工作,高水平的软件集成十分重要。系统中的软件桥(software bridge)会识别所需要的任务并把它们分配给最合适的处理器,或在某些情况下分配给空闲的处理器,它还会关闭未使用的处理引擎,并在需要时再打开。
这种多处理器技术也有助于实现用户期望的快速响应性能。用户习惯在从网上下载MP3音乐时等待,但是在听音乐时,他们希望歌曲选择、音量控制、暂停或切换到另一个应用的过程是实时的,没有任何等待过程。在无线多媒体设备中,这种性能要求并不容易实现。这是因为命令、控制功能、用户接口和信号处理在播放MP3歌曲的同时都在运行,这些都需要不同类型的数据处理。用户接口动作具有较高中断优先级,而信号处理需要执行连续和反复的复杂数学运算。
最新经验表明,无论具有多少功能或优秀性能,如果手机的通话时间或待机时间远远少于用户所习惯的第二代电话的话,这些手机不会得到用户的认同。日本运营商Docomo在引入3G手机时就证明了这点,其第一批3G手机获得的市场份额比预期少很多,现在运营商提供重新设计的手机,电池待机时间超过200小时,接近日本当前的2G手机待机时间,3G手机才开始被市场接受。
一般而言,多个处理引擎耗电少,电池待机时间会比单处理内核结构要长。利用不同的内核(RISC和DSP)和硬件加速器的不同功能,从功耗和性能角度将一个算法映射到最佳的处理器引擎,根据是否需要来将相应的电路打开或关闭,进一步节省了电能。
由于DSP采用复杂的指令使其在一个时钟周期内能执行几次数学运算,而RISC结构和指令集一般只允许每指令周期执行一次运算。所以,DSP处理MP3音乐或视频流比RISC芯片需要的时钟周期要少很多。而且,DSP内核是由内存支持,而不是缓存。对紧凑的DSP循环来说,内置的SRAM具有执行的确定性和省电两个主要优势,而RISC结构在处理诸如用户接口和视频显示管理命令和控制功能时比DSP更有效,在做这些操作时用的电量比DSP少,特别是在没有实时性要求的时候。
尽管采用硬件加速器提高了手机性能和电源效率,但其代价是降低了设计灵活性和可升级特点。TI把这些加速器加到其Omap器件中以解决专用的加速任务,如Java、安全和视频应用中的离散余弦变换(DCT)、离散余弦逆变换、运动估计和像素插值等。
这种多处理器引擎设计思路使工程师实现了当前多媒体手机的高性能,同时也为未来无线多媒体电子设备的发展指明了技术实现方法,基于这种多处理器引擎的设计方法将在更多的数码设备中得到应用。
作者:Avner Goren
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