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West Bridge:針對多媒體手機的高速連接架構

上網時間: 2007年10月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:West Bridge  處理器  記憶體 

一款手機的設計成功靠的絕不僅僅是外觀、待機時間和可靠性,好的設計架構也必須要能相容新的應用模型,與此同時,還要符合業標準。手機以及一些其他電子設備如掌上型電腦、可攜式多媒體播放器(PMP)、數位相機正在加速融合,系統設計師們必須在手機中加入更多的功能來提高成功的機會。

但是,許多這種‘融合’的手機,常常難以提供良好的用戶體驗。高度整合手機的失敗源於許多不同因素,但可用性差通常是它們無法吸引眾多用戶的最可能原因。可用性不僅指某種產品的易用性,也意味著每種功能與市場上其他內含該功能之產品的性能比較。

整合的功能品質往往被忽視。舉例來說,你可以在很多手機上發現低階數位相機。系統設計者需要為每種功能仔細考慮,而不僅是核對系統功能表上的計劃。要讓整合的功能物有所值,就必須關注其帶來的用戶體驗。

在消費電子領域,支援音樂、影像播放及具有數位攝影的手機正在迅速變化,從高階到中階,甚至往低階方向延伸。隨時間推移,多媒體手機會繼續向大量儲存容量發展,特別是快閃記憶體成本正以驚人的速度下降。更實用的大量儲存使得設備能支援更高位元率的多媒體內容以及更高畫素的照像模組。目前在市場上,多媒體手機的容量期望在1GB以上。這種趨勢隨著新近推出的SD2.0規格變得更加明顯,該標準中SD卡的最大容量定為32GB。除了SD/MMC卡,還有其他一些流行的大量儲存設備,包括NAND和HDD。

有一點對於多媒體手機十分重要,那就是必須提供一種高速的對外連接來傳輸大量多媒體資料,如音樂、影像和圖片。目前普遍使用USB介面來實現與PC的連接。當前市場上絕大多數手機支援的仍是USB1.1連接(FSUSB,12Mbps),而支援更快的USB2.0連接(HSUSB,480Mbps)將很快成為必須的要求。表一列出了兩種標準的基本比較,以及一些利用USB原始訊號傳輸速率(不算SW開銷)計算出的傳輸時間的幾個例子。圖一是典型手機基頻處理器的架構圖。注意這種架構只整合了FSUSB SIE(串列介面引擎),還需要外加一個FSUSB收發器。

表一中的數據反映了FSUSB和HSUSB傳輸的原始訊號傳輸速率,它們的差別達到一個數量級(HSUSB比FSUSB快40倍)。應注意,這些數據不包括任何軟體開銷和硬體限制。所以,實際系統中的數據率將大幅降低。

乍看之下,採用HSUSB似乎就能自動增加頻寬,有效解決PC和大容量設備間的低傳輸速率問題。但實際上,USB的數據實際吞吐量還取決於系統架構,系統架構決定了軟硬體開銷及限制。

可考慮採用圖2中的HSUSB。因為基頻處理器只支援FSUSB,所以要用一個週邊HSUSB控制器來支援HSUSB。HSUSB控制器通常與處理器的外部記憶體介面相連,這個介面也同樣可為不同的記憶體共享,如NAND和SDRAM。在這種價架構下,圖2中的紅箭頭就代表了從PC透過HSUSB到大容量儲存設備間的數據串流簡化表示。

在圖3中,數據串流不再像圖2那樣簡單直接的表示。從PC發出的數據串流首先經過HSUSB,再經緩衝進入基頻處理器上的SDRAM。接下來由處理器讀取SDRAM的數據再將其寫入大量儲存設備,在本例中是一個NAND快閃記憶體。但如果沒有對軟體進行仔細的最佳化設計,這種媒介傳遞的形式不但會阻礙HSUSB的充分利用,也會大幅降低整體系統性能。因此,使用這種架構通常無法得到HSUSB應有的最佳用戶體驗。

另外,由於整合了多種功能,就不可避免地需要多任務處理。手機架構設計師面臨的一個挑戰就是要求所設計架構具有足夠的靈活度,能夠適應新的應用模型。例如,隨著3G+無線技術的演進,無線空中介面頻寬也成指數級成長,人們可以用一個3G+手機作為數據機實現高速網際網路連接。這對於那些在旅途中也需要高速網路存取的終端用戶特別有用。然而,這些新應用模型只有在多任務處理能得到有效支援時才能發揮作用。例如,當用戶正以手機作為儲存設備(快閃碟模式)或正在下載多媒體資料,這時仍需要其保持撥打電話及連接網路的功能,否則會帶來不便。圖3的手機設計中,當USB進行傳輸時,基頻處理器將忙於傳輸數據而常常沒有剩餘頻寬來處理其核心任務,如語音通話。所以,手機設計者不得不調整目前的手機設計來相容新一代的應用模型。

圖1:具有FSUSB處理器的手機。
圖1:具有FSUSB處理器的手機。

圖2:使用外接HSUSB控制器的手機。
圖2:使用外接HSUSB控制器的手機。

圖3:從PC到使用外接HSUSB控制器的大量記憶體數據串流。
圖3:從PC到使用外接HSUSB控制器的大量記憶體數據串流。

表1:USB的理論傳輸速率和傳輸時間。
表1:USB的理論傳輸速率和傳輸時間。

West Bridge架構

為迎接多任務處理的挑戰,系統設計師需要新的設計架構選擇。Cypress公司提出的West Bridge架構可消除過去幾代處理器所面臨的處理瓶頸。就像在PC架構中導入北橋和南橋一樣,在嵌入式系統中,West Bridge將負責主處理器與週邊的連接。圖4為採用West Bridge的架構。

在這個圖例中,West Bridge有三個埠:一個處理器‘P’埠,一個HSUSB‘U’埠及一個大量記憶體‘S’埠。其中‘P’埠連接嵌入式處理器,同時支援硬體DMA通道。在手機設計中,‘P’埠連接到基頻處理器的標準外部記憶體介面;‘U’埠提供USB2.0連接,‘S’埠支援各種大量儲存技術,例如8位元/16位元NAND快閃記憶體,SD/miniSD/T-F Flash,MMC/MMC+,甚至新的硬碟驅動(HDD)標準CE-ATA。

圖4中的紅箭頭表示這3個埠中可能的數據通路。注意當這些箭頭都通過West Bridge時,為了避免堵塞,它們同時又彼此獨立地被標出。箭頭‘1’,即‘P’埠和‘U’埠間的通路,透過HSUSB介面實現基頻處理器與外部的連接。這個數據通路可實現上述的無線上網等新應用。箭頭‘2’,即‘P’埠和‘S’埠間的通路,將基頻處理器連到大量記憶體,就像二者直接連接一樣。箭頭‘3’,即‘U’埠與‘S’埠之間的通路,支援將PC與大量記憶體中的數據上傳和下載到手機上。這個通路尤其適用於傳輸多媒體文件:從PC下載MP3/WMA/Video到手機,或者從手機上傳圖片到PC。與圖3中的手機架構相較,大量記憶體現在直接連接到West Bridge,而不是處理器本身。這樣,基頻處理器完全擺脫了數據傳輸的負擔,因為它不再作為PC與大量記憶體間的數據通路。這為更多重要的任務釋放出了處理器的工作頻寬。圖5將解釋這種新的架構。注意PC與大量儲存間的數據通路與圖2和圖3中的不同。

圖4:West Bridge架構圖。
圖4:West Bridge架構圖。

圖5:採用Antioch West Bridge時從PC到大量記憶體的直接通路。
圖5:採用Antioch West Bridge時從PC到大量記憶體的直接通路。

總之,PC與大量記憶體間的直接通路大幅提高了吞吐效率。Cypress為目前市場上不同行動設備的USB連接吞吐量設定了全新標竿,並在可控制環境下對該標竿進行了測試試驗,表2列出了測試結果。

如表2所示,PC與大量記憶體間的直接通路大幅提高了吞吐效率。這使得West Bridge對一些需要高階性能的系統十分有吸引力,因為它能大幅提升用戶的HSUSB體驗。

表2:手機USB傳輸速率標竿測試結果。
表2:手機USB傳輸速率標竿測試結果。

重點是,這種架構允許三條數據通路同時開通。這使得任何行動手機設計都可以應用West Bridge。一款典型的處理器從設計到大規模生產需要大約2年的時間,而大量記憶體介面標準的更新遠快於處理器設計週期,因此,市場上的處理器往往很難支援最新的儲存設備。但透過使用West Bridge,將能連接到目前大多數處理器都還無法支援的最新大量儲存設備,如SD2.0和CE-ATA。

West Bridge架構解決了PC中的很多難題。類似地,在行動手機設計中導入West Bridge,將把設計人員從平衡功能與靈活性的挑戰中釋放出來。West Bridge並不只透過PC與儲存設備間的直接連接帶來最佳HSUSB體驗,它還能實現同時支援不同應用的多任務處理,滿足目前及未來在多媒體手機設計中不斷成長的吞吐率需求。

作者:Danny Tseng

資深應用工程師

數據通訊部

Cypress半導體公司




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