便攜式設備的多媒體功能近年得到快速發展,性能也不斷提升,但隨之而來的功耗問題對設計工程師帶來極大的挑戰。本文作者從系統架構、存儲器、射頻傳輸等層面詳細探討了降低便攜式多媒體設備功耗的方法和思路。

支持高質量的多媒體功能是當今2.5及3G通信設備所必備的一項重要技術。運營商需要提高每用戶平均消費,而使用戶消費更多的音視頻及數據服務則是運營商目前用來增加用戶平均消費的一種途徑。關鍵應用包括視頻會議、音視頻新聞剪輯、手機交互游戲等,然而用戶已開始期望獲得類似于其起居室的影音設備上高質量的多媒體體驗。多媒體功能并非僅僅是遵循幾項業界標準,其質量還必須值得用戶消費。要滿足這樣質量需要有各種多媒體功能,而這些功能又會增加功耗,這對于采用有限容量電池供電的便攜式設備來說具有一定挑戰。

傳統上,智能電話等聯網便攜式設備的電池工作時間是信號傳輸時間的函數,因為射頻是便攜式設備中產生功耗最多的部分。但隨著及3G手機能實現新的數據及多媒體應用,人們很快發現多媒體數據操作將產生比無線傳輸更多的功耗。

為理解這一點,讓我們來看一下置于一個系統上的兩路視頻會議通信消耗功率的功能部分:攝像機(1)必須捕捉(2)用戶圖像并采用等計算密集型算法將其編碼(3),同時將輸入圖像譯碼(4)并輸出給顯示器(5),并通過揚聲器或耳機播放話音(6)。此外,這些操作所需的密集處理比簡單的語音處理所需的處理密度高一到兩個數量級。但如果由于電池的問題你只能有20分鐘的通話時間,這樣的視頻會議服務有誰會去使用呢？電池壽命作為便攜式設計考慮中的重要因素在此時變得比以往更為關鍵。

從系統架構考慮低功耗設計

完全加電的單芯片架構可以通過動態調整電壓及工作頻率來管理功耗,降低工作頻率可以使器件工作于較低電源電壓上,意味著器件將消耗更低的功率。由于器件自己并不能知道在某一特定時刻將運行何種負載,因此開發商可以通過模型來仿真系統,并通過軟件機制來管理功率,。

單芯片架構的一個缺點是處理器必須能滿足系統最大負載情況的處理。由于用戶只是偶爾調用全部系統資源,這意味著處理器的各部分都在消耗功率,而處理器的所有功能很少被同時全部使用。例如,密碼加速器引擎即使沒有數據加密也在消耗功率。許多便攜式應用的處理器,例如意法半導體的Nomadik應用處理器等,都能通過讓你關掉器件目前不用的部分來降低功耗。對于擁有多個加速引擎的設備,例如那些必須采用多媒體處理器的設備等,這將有效地提高效率。關掉器件的部分組成電路比管理頻率及電壓更加容易,但你會發現很難掌握實際功耗,因為你必須進行精細的控制。當然,采用低功耗外設也能有效降低功耗。例如,你可以通過選用功耗較低的照相機來節省功率。

像這樣在系統層面上成功地管理功率,要求在你的設計中擁有良好的連通性及接口靈活性。如果你不得不通過增加額外的芯片來使用功耗較低的顯示器或揚聲器,則這些額外的芯片已經消耗掉了一部分你可能節省的功率。集成在你核心設計中的接口可創造一種能使你方便地增加或去除外圍器件的中心架構(見圖1),這種靈活性同時也讓你能用同樣的基本架構來設計出系列產品線。例如,你可以根據不同應用來分別采用LCD單顯、高分辨率彩顯或觸摸屏等。從理論上講,你只須改變內部驅動程序就可實現你的不同設計選項。

靈活性也能擴展至架構中的處理單元。多媒體標準經常變化,而且應用本身也在以一種難以預期的方式發展,支持可編程對于保持與未來標準、以及采用該標準的內容的兼容性非常重要,但必須以硬件加速來實現高質量播放。例如以專用芯片來實現MPEG4可在一定程度上減少系統成本,但必須以犧牲系統可升級性及增加設備尺寸與功耗為代價。

而使用外圍器件則可用中心架構來保留最大的靈活性及處理能力,在這種架構內,多媒體處理既不是用硬件來實現也不是用純軟件使處理速度減慢,而是由各種編解碼器的加速引擎支持。例如,目前的視頻會議方案采用標準,但轉向將是大勢所趨。由于標準具有更高的復雜性,故專用器件將不能支持新的標準。

軟件設計面臨的挑戰

可擴展性不能僅僅是增加器件成本。軟件是電話制造投資中最大的一塊。軟件必須能適應擁有各種屏幕尺寸、位于不同方向上的各種分辨率攝像機,以及要求用各種編解碼器來輸出不同圖像質量的設備(見圖2)。

關于創作值得購買的內容所提出的挑戰超出了本文討論的范圍,然而OEM們正面臨內容提供的更嚴峻挑戰,因為內容提供商會要求嚴格控制其知識產權。他們不僅要求各種數字版權管理機制、某些機密及專有權,同時還要求確保高質量的回放。

支持由內容提供商提供的安全應用,要求有不易被攻破的內部加密子系統及開放式軟件平臺。任何要求應用程序代碼移植的設備都可能限制其自身的市場,支持C語言編譯器的架構可解決這種移植帶來的挑戰。最好是能采用Java解釋器(Java interpreter),因為它能進一步緩解甚至完全消除代碼移植問題。

存儲器需求

架構中的存儲器可擴展性也在優化產品線的性能及功耗上扮演重要角色。由于片上存儲器消除了消芯片間的數據通信,因而比外部存儲器的功率更低、具有更低的執行時間并減小了設備尺寸。但并非每一種產品都要求有同樣容量的存儲器,支持不同屏幕尺寸的電話所要求的緩沖器大小也不一樣。能從各種存儲器選項中進行選擇,使同一核心架構能有效地適用于從低端到高端的各種設備。

例如采用堆疊(stacking)技術,芯片廠商能在相同封裝中將數個存儲器塊緊挨處理器裸片放置,這不僅能使處理器尺寸縮小并保持一致性,而且還能根據應用需求來提供各種經過優化的閃存或DRAM配置。存儲器大小高度依賴于器件運行的應用類型,帶Linux、Symbian或WinCE等操作系統的電話可能需要有兩倍于DRAM的閃存容量,而具有實時內核的電話則通常只需相同數量的DRAM及閃存。

像音頻流傳輸及下載等關鍵音頻應用都需要大容量存儲器。盡管將音頻流保存在片上存儲器中對于降低處理負載和功耗更有效,但這種方法會限制你緩沖器的大小,反過來又會影響播放的質量(如果無線連接不可靠的話)。但音頻流傳數可能只是一種權宜之計,音頻流傳輸技術的主要優點是它能減少器件所需的存儲器容量,因為任何時刻都只需保存部分多媒體數據。但可插拔閃存卡的價格還在繼續下降,而MP3文件的大小則保持不變。將整個文件下載后再播放避免了采用不可靠無線連接傳輸帶來的質量問題,相對于存儲延時來說是值得的。而且,將整個文件下載還可以實現一些重要功能,如重復播放和快進等,這些都是通過流傳輸所不能實現的。

降低功耗的功率管理方法

在當前的無線通信設備中,射頻已經不是最大的功耗產生者,但對其進行功率管理仍然很重要。雖然在優化前一代手機中的語音傳輸及接收方面已經進行了大量的工作,但數據傳輸與實時語音傳輸有很大的不同,射頻管理仍值得特別關注。

通過同時限制傳輸時間和接收時間可獲得最大的功率節省。因此,盡管在數據傳輸前將其壓縮會增加處理器的功耗,但完全可以通過減少發射器的工作時間來補償,視頻會議標準即是一個很好例子。然而,雖然可將視頻流的比特率減少一半,但卻是以大大增加譯碼的處理成本為代價,因為必須將所考慮的運動矢量從1增加至41。

在接收器端可考慮對非實時數據在時隙方案基礎上采用猝發機制。時隙方案能有效利用功率,因為電話僅需在其分配的時隙內使用接收器。但系統卻需連續地接通及關閉接收器,這產生功耗并占用處理開銷,而且即使沒有接收數據都必須一直監聽。采用猝發方式時,系統無需連續地接通和關閉,而只需在一個很短的時間內即可完成全部工作。由于數據為非實時,故你無需頻繁地檢查是否有數據,這又能進一步減少整個有效接收時間。

管理便攜式多媒體器件的功率對于無線業務的成功推廣非常關鍵。但如果要進行大規模部署,多媒體處理就不可能仍然是高端技術,它必須具有可伸縮性,因為系統成本必須在大批量生產時顯著下降,高額材料成本(BOM)將意味著不可能實現大批量生產。因此,任何成功的移動多媒體方案都必須從一開始即考慮大批量應用的要求。要想取得成功,器件就必須構建于能有效優化性能、功率、存儲器及整個產品線成本的架構上。

標準化接口

在存在各種外圍及基帶器件及不同接口方式的情況下,構建便攜式多媒體設備極具挑戰。對于擁有真正靈活性的便攜式多媒體設備OEM們來說,重要的是需要將這些器件的接口標準化,并簡化API對這些接口的使用。這種標準化對于降低器件成本、減少設計復雜性以及將多媒體引入大規模市場來說極為關鍵。

這也是“移動行業處理器接口(MIPI)聯盟”的目標,該聯盟由ARM、諾基亞、意法半導體及TI發起并得到英特爾、摩托羅拉及三星等主要廠商的支持。MIPI的目標是通過建立移動應用處理器接口開放標準來促進對移動計算器件的更快及更廣泛的采用。在全球擁有超過65家成員單位的該聯盟,旨在提供多種規范來滿足豐富應用移動終端日益發展的接口要求。詳情請訪問: 。

另一關鍵技術是“操作、管理及維護(OAM)”協議,OAM能為器件管理及安全數據傳輸提供安全手段。對于OAM這里不再詳述。

作者:Laurent Hanus

平臺行銷經理

意法半導體公司多媒體平臺部