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控制技術/MCU  

在下一代手機設計中採用應用處理器

上網時間: 2004年06月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:應用處理器  行動電話  多功能  基頻  多媒體 

在下一代多功能手機中,DSC、MP3、遊戲和視訊等應用百花齊放。如果只用基頻晶片實現這些功能,那麼將顯著增加CPU的負載並影響通訊處理性能。應用處理器(AP)適合於擴展手機功能,而且採用模組化架構的AP子系統可重再使用在不同行動系統的手機。本文將探討對AP的要求以及AP與現有基頻晶片的整合。

大多數手機製造商會採用半導體供應商提供的參考設計方案。這種方案主要由目標程式碼和少量原始程式碼組成。研發工程師難以對該方案進行修改和加入新功能。此外,基頻晶片有限的資源使它不可能實現高負載的多媒體應用,如DSC、MP3、MPEG-4、遊戲和視訊電話等,而這些對高階行動電話來說是必需的。

這些製造商在參考方案的硬體和軟體方面都很有經驗。參考方案的品質經過驗證,並在商業化產品中得到證明。它最好能在隨後的產品中重覆使用,而不是重新開發一切功能。為了將現有的手機設計向高階電話升級,對製造商來說,應用處理器架構是一條捷徑。現有的基頻系統可重覆使用並連接到一個AP子系統。該子系統類似於一個模組,可連接到基頻系統上。

模組化架構圖1: 應用處理器子系統。

擴展手機特性的傳統方法是在基頻晶片上編寫並執行新應用程式。這種單晶片架構需要工程師升級基頻晶片以獲得更多的CPU能力。為了實現照相機功能和SD/MMC的連接就要對電路進行重新設計。基頻程式碼要移植到新的晶片之中。現有的功能要徹底地重新驗證,即使它們以前進行過測試。此外,對這種單晶片架構來說,程式程式碼的規模將非常大而且很複雜。這導致開發和除錯的時間拉長,並最終增加開發的成本。

透過採用模組化的AP架構,曾經佔用過多CPU資源的多媒體功能應用程式可以在AP上執行。現有手機上的大部份程式碼和電路只需稍加修改就可重覆使用。軟體工程師因而可以將精力集中於開發新的應用程式。這些應用程式只需在AP上開發和除錯。

這種雙處理器方案把基頻工作和AP工作分開,一個處理器實現基本的電話功能,另一個處理器實現多媒體功能。基頻處理器實現目前手機所做的呼叫/接聽等基本的電話功能,AP處理器專用於處理高負載的多媒體應用。這消除了由新應用的軟體缺陷引起基頻失效的風險。例如,新應用上一個不成對的關閉/啟用將中斷即時作業系統調度表,如果它是在單一處理器上執行的話,這將終止所有電話功能。

基頻和AP處理器之間的通訊靠消息傳遞實現。啟動或撤消新應用程式的命令以消息的格式從基頻處理器傳送到AP處理器。

以模組化架構的形式,AP構成一個子系統並與基頻處理器隔離開來。主LCD和子LCD連接到AP而不是基頻處理器上,以便達到最佳的多媒體應用視覺性能。音訊編碼/解碼器可以連接到基頻或AP處理器上,具體做法取決於所涉及的難度。AP上的視訊I/O硬體專用於照相機感測器。它以YUV格式解碼照相機的輸出並轉換成RGB用於顯示。SD/MMC卡連到AP以便在外部儲存資料。晶片上的NAND/AND快閃記憶體適用於儲存除引導加載器之外的數據和主程式。NOR快閃記憶體也適用於儲存主程式和引導加載器,這取決於成本。SDRAM作為執行記憶體。對處理影像數據的多媒體應用來說,它應該很大。AP子系統如圖1所示。

AP子系統的要求

1.連接簡單圖2:應用處理器的‘穿過’(pass through)特性。


AP必須易於連接到基頻處理器上。連接的最簡單方式是採用一個SRAM介面。它可以靈活地連到8位元和16位元匯流排基頻系統。此外,它需要與8086和68000系統匯流排相容。該SRAM介面匯流排與AP系統匯流排隔離,以便基頻存取AP匯流排和AP存取系統匯流排可以同時工作。

2.‘穿過’(pass through)特性


由於LCD連到AP而不是基頻處理器上,因此從基頻擷取影像送往LCD成為間接的動作。傳統的取送方法需要兩個步驟:第一步是從基頻向AP發送取命令;第二步是從AP向LCD送影像數據。採用這種方法AP要處於加電狀態,因而增加了功耗。而且已有的基頻程式碼要從直接存取命令的基礎上進行修改。工程師需要時間來開發、測試和糾錯。

AP處理器上的‘穿過’特性使得基頻處理器可以存取LCD,即使該AP處於節電模式下(見圖2)。在這種模式下,不管是主LCD還是子LCD都可存取。可以‘穿過’的最大元件數目設定為4。這為未來的擴展預留了空間。功耗在節電狀態下達到最低。因而手機的待機時間可以最大化。有了這種直接存取特性,現有程式碼無需修改就可重覆使用。它減輕了工程師的工作負載並縮短了開發時間。

3.基頻引導功能


通常,NOR快閃記憶體用於儲存AP程式。它在AP提供接收引導程式碼功能的情況可去除,即AP從基頻處理器接收引導程式碼(引導加載器),隨後執行該程式碼的情況下。利用這種特性,主程式可以儲存在不昂貴的NAND/AND快閃記憶體上。引導加載器將主程式從數據快閃記憶體加載到SDRAM,並最終在該SDRAM上執行它。一個不同的引導加載器可用來重寫/更新主程式。即使在重寫期間產生異常中斷,對最終產品也沒有任何損害。這是因為該重寫引導加載器儲存在基頻而非AP的快閃記憶體上。圖3:視訊介面專用於解碼照相機感測器的輸出訊號。

4.視訊I/O


AP上的視訊介面硬體專用於解碼照相機感測器的輸出訊號。它無需編寫程式碼就可檢測來自該感測器的水準和垂直訊號,並且將其加碼解碼成行列數據。將YUV轉換成RGB或者將RGB轉換成YUV是靠硬體實現,不是靠軟體運算。這帶來速度和效率。一個SXGA解析度照相機感測器的輸出YUV格式為4:2:2,每秒15訊框,這意味著每秒可處理1,280×1,024×8×15=157,286,400位元組。如果靠軟體來運算,這會耗費大量的CPU資源。

5.整合基頻與AP


基頻系統和AP子系統的整合類似於把一個SRAM加到基頻處理器上。基頻應該最多保留最多7個I/O埠和一個中斷來控制AP。除去某些AP功能,如‘基頻引導’和‘穿過’,可以降低對I/O的需求。

本文小結

手機上的各種應用將使複雜度增加。讓這些應用全由基頻處理器實現非常困難,甚至是不可能的。應用處理器架構簡化了工程師的工作,他們可以把現有的手機設計擴展到下一代多媒體電話之中。這種模組化架構對現有手機設計方案的修改降到最低程度,使得工程師只需集中精力開發新應用。它還允許工程師分別開發並除錯基頻和AP上的應用,顯著縮短了開發時間。透過採用不同的基頻,該架構使得手機製造商可以將該AP子系統上的硬體和軟體重再使用於不同的行動系統上。

作者: Wilson Tang


技術行銷部高級工程師


Email: wilson.tang@renesas.com


Renesas Technology香港公司




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