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降低顯示功耗延長行動電池壽命

上網時間: 2013年11月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:圖形處理  顯示流水線  GPU  電池壽命  功耗 

作者:Pawel Duc與Damian Modrzyk,Evatronix公司

Aris Aristodemou,ARM公司

在當今這個高解析(HD)行動螢幕普及的時代,造成電池耗用快的主要因素有二:顯示器的亮度以及視訊與圖形子系統的功耗。在這篇文章中,我們將討論後者──系統單晶片(SoC)的智慧視訊和顯示器管線。智慧化,通常就意味著能夠提供與競爭方案類似的性能,但僅需使用更低得多的功耗。

有許多因素會影響到設備的功效──功效一般可以用電池在兩次充電之間可用的時數來衡量。

視訊與圖形子系統面臨的挑戰

現代的繪圖SoC必須能以高訊框速率渲染高解析度影像,並在此基礎上執行多個影像後處理任務,如縮放尺寸、旋轉、轉換畫素格式等等。因應這種挑戰的典型方法是採用圖形處理單元(GPU)。然而,由於其通用性的架構,在具體顯示處理作業期間的功效並不是最最化的。

針對這種情況,Evatronix公司開發出PANTA DP IP核心。該顯示處理器系列能夠在GPU接管特殊的顯示任務,從而顯著降低功耗。PANTA處理器可在訊框緩衝內容提交給顯示器之前,針對一些執行任務進行最佳化,如多層組合、YUVRGB轉換、旋轉、透明(α)混合、伽瑪校正以及其它任務等,從而能透過部份或全部卸載GPU任務而顯著降低整體SoC動態功耗。由於減少視訊和圖形訊框緩衝器的接取次數而保有最小的系統記憶體頻寬,因此可進一步降低PANTA DP輔助SoC的功耗。

增強現有架構

以一個處理多個顯示器輸出的GPU處理顯示器管線為例。該系統要在兩個具有不同解析度的螢幕上顯示圖形訊框──外部全高解析(Full HD,1,920x1,080畫素)和本地高解析(HD,1,280x720畫素)顯示器。每個訊框由3個層組成。第一層是設備相機先前記錄的Full HD視訊解碼。這個訊框以YUV 4:2:0的格式儲存在訊框緩衝器內。另外兩層是音量控制和記錄速率,由GPU以RGB格式產生。在組合層可被顯示之前必須先執行許多作業,包括YUV到RGB視訊層轉換、三訊框α混合、縮放與旋轉。如圖1所示的系統中,顯示控制器只需傳送訊框緩衝器中由GPU準備的最終數據。

典型的多顯示器系統。
圖1:典型的多顯示器系統。

在這個案例中,能量在GPU中執行特殊顯示任務時消耗掉了,GPU專門針對執行不同圖形運算作業進行最佳化──在此例中採用2D圖形渲染。

為了提高能效,可以使用PANTA系列元件。圖2顯示一個圖形子系統架構的案例,它使用了兩個配置PANTA CP20縮放協同處理器的PANTA DP30顯示處理器。在這個例子中,GPU只負責渲染圖形層畫素,並將結果發送到訊框緩衝器。GPU任務量因而得以大量卸載,因為YUV到RGB轉換、α混合、縮放和旋轉任可交由PANTA DP30和PANTA CP20單元來完成。

採用PANTA元件的多顯示器子系統。
圖2:採用PANTA元件的多顯示器子系統。

在這個系統中,由PANTA DP30轉換到RGB格式的視訊層會與其它圖形層組合在一起,並直接顯示在外部螢幕上。同時,組合訊框被PANTA CP20模組從1,080p縮小到720p,並返回到訊框緩衝器。第2個PANTA顯示處理器擷取縮小的訊框並旋轉90度,然後再發送給本地顯示器。

由於PANTA IP的縮放和旋轉功能,這兩項額外作業不需要在GPU中執行,因此圖形子系統中的總功耗得以顯著降低。此外,由於訊框緩衝器中儲存的圖形數據大小取決於訊框解析度和格式,因此與圖1所示的典型多顯示器解決方案相比,PANTA元件的使用可將系統記憶體頻寬減少達40%。在這個用例中描述以及採用40nm LP製程建置的PANTA元件總功耗不到30mW。

PANTA顯示處理器還能降低更多的功耗。在一些情況下,所有的視訊和圖形處理任務都可以由PANTA元件執行,從而完全關閉GPU。圖3顯示一種用例,其中PANTA IP顯示由視訊解碼器傳送視訊解碼至訊框緩衝器。這樣的數據串流只需要旋轉以及YUV至RGB轉換,因此完全不需要GPU參與。在這種情況下,以40nm LP製程建置的PANTA DP30總功耗不超過6mW。

無GPU的PANTA DP輔助顯示子系統。
圖3:無GPU的PANTA DP輔助顯示子系統。

小結

由於3D遊戲和HD視訊播放正逐漸成為行動設備的基本功能,因此上述視訊管線在SoC級實現功耗最佳化至關重要。用戶期望智慧型手機和平板電腦能夠提供超長的電池壽命,在多媒體應用期間也不例外。

Evatronix PANTA處理器可在不犧牲任何性能的前提下協助用戶提高顯示子系統的功效,這可歸功於內部IP取代GPU執行特殊顯示任務,以及最小化視訊/圖形子系統記憶體頻寬。

(參考原文: Reducing display power to extend mobile battery life ,by Pawel Duc, Damian Modrzyk, Aris Aristodemou)





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