介紹

　　進(jìn)入數(shù)字信息時(shí)代，電子產(chǎn)品全面數(shù)字化的結(jié)果帶來(lái)了形形色色數(shù)字信息產(chǎn)品的繁榮，其中數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)字影像發(fā)揮著越來(lái)越大的，數(shù)字音頻和數(shù)字視頻的普及也越來(lái)越廣。隨著各種帶寬接入和3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的興起和不斷完善，數(shù)字無(wú)線手機(jī)不僅提供語(yǔ)音通信功能，而且正在向手持智能終端、多媒體設(shè)備類(lèi)型產(chǎn)品轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在，能夠拍照并立即將照片通過(guò)因特網(wǎng)傳輸?shù)氖殖纸K端已經(jīng)很常見(jiàn)，而具備語(yǔ)音識(shí)別特性的智能電話變得越來(lái)越流行。可以預(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)，可實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)視頻 流、JAVA、游戲、藍(lán)牙以及其它更多技術(shù)的產(chǎn)品將不斷為人們所熟識(shí)。

　　在市場(chǎng)和技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，眾多的IT設(shè)備廠商在全力以赴地緊跟著這一潮流，而他們對(duì)于產(chǎn)品始終不懈的追求，又無(wú)外乎如何盡可能地提高產(chǎn)品的性能和功能，同時(shí)又如何盡可能地延長(zhǎng)的電池壽命。因?yàn)橹挥羞@樣才能限度地滿足消費(fèi)者的需求，才有機(jī)會(huì)贏取更大的市場(chǎng)份額。這種對(duì)產(chǎn)品的追求反映到硬件平臺(tái)中，就是對(duì)核心處理器件的性能和功耗的追求。

　　然而，在實(shí)際中性能和功耗常常相互矛盾，那么在顯著提高功能的同時(shí)是否還能顯著減少功耗就成為一大問(wèn)題。核心處理器一方面不能耗盡電池功率，一方面還必須處理高強(qiáng)度的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如噪聲與回波抵消、音頻和視頻編碼解碼、壓縮和解壓縮，所有這些都必須實(shí)時(shí)完成。同時(shí)，還必須管理內(nèi)置于無(wú)線設(shè)備中的視頻顯示，響應(yīng)人機(jī)界面 (MMI)，并處理其他常規(guī)任務(wù)。設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)則在于找到一個(gè)處理器或處理器組合，能夠使用盡可能少的指令周期，也就是說(shuō)以的功率，來(lái)完成所有任務(wù)，這就意味著必須盡可能高效地處理大量信息。

　　三種方式

　　適合于數(shù)字信息產(chǎn)品的核心處理平臺(tái)是數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，以及精減指令集（RISC）微處理器。DSP是由德州儀器公司 (TI) 于20世紀(jì)80年代末開(kāi)發(fā)并投入商用，此后便一再被證實(shí)適合處理諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)以及味覺(jué)等人類(lèi)感官刺激的數(shù)字化表示方法。相對(duì)于任何其它類(lèi)型的處理器而言，DSP為具有重復(fù)性、高強(qiáng)度數(shù)學(xué)運(yùn)算而進(jìn)行了精心優(yōu)化，能夠以更快的速度、更少的指令周期執(zhí)行諸如語(yǔ)音壓縮與解壓縮等任務(wù)。

　　不過(guò)就視頻交互與MMI等命令控制功能而言DSP還不夠理想的，這些基本的數(shù)據(jù)處理操作并不需要實(shí)時(shí)進(jìn)行，其所涉及的任務(wù)交換和高中斷活動(dòng)需進(jìn)行的數(shù)學(xué)運(yùn)算強(qiáng)度不大、重復(fù)性也不高，而RISC微處理器則可以勝任這樣的應(yīng)用。

　　為滿足數(shù)字無(wú)線手持終端的不同處理要求，直接的處理方式選擇也許就是采用RISC處理器與DSP處理器的組合。但同時(shí)采用兩個(gè)獨(dú)立處理器的劣勢(shì)也同樣很明顯。采用兩個(gè)獨(dú)立處理器會(huì)進(jìn)一步惡化包括諸如功耗、板級(jí)空間、外設(shè)連接、協(xié)議以及編程等在內(nèi)的系統(tǒng)問(wèn)題。

　　因此，一些芯片技術(shù)提供商嘗試在具備 DSP 指令集擴(kuò)展的普通 RISC 處理器上，例如ARM9 上運(yùn)行無(wú)線多媒體應(yīng)用。盡管這些處理器能夠處理一般的多媒體任務(wù)，但并不一定能夠得到的處理效果，所以還不是有效的方法。

　　將DSP與傳統(tǒng)處理集成到同一RISC 器件會(huì)降低靈活性，并導(dǎo)致實(shí)時(shí)信號(hào)處理任務(wù)與高中斷數(shù)據(jù)處理任務(wù)之間的內(nèi)在沖突。同時(shí)面臨幾個(gè)任務(wù)時(shí)，該器件會(huì)向時(shí)間緊迫的多媒體處理賦予優(yōu)先級(jí)。如果 MMI 輸入要求任務(wù)切換的話，那么就會(huì)出現(xiàn)等待時(shí)間問(wèn)題。單個(gè)處理器必須執(zhí)行環(huán)境保存及恢復(fù)，以便安排 MMI任務(wù)運(yùn)行，同時(shí)還要確保不錯(cuò)過(guò)任何實(shí)時(shí)要求，常常導(dǎo)致MMI輸入響應(yīng)慢而無(wú)法接受。

　　另外，向基本的 RISC 添加類(lèi)似 DSP 的擴(kuò)展雖然可以改善總體性能，且?guī)в袛U(kuò)展的基于 RISC 的處理器能夠迅速處理大量的乘法及加法運(yùn)算，但是，難以為循環(huán)緩沖、位反轉(zhuǎn)、并行移動(dòng)以及硬件回路等提供面向 DSP 尋址等缺陷對(duì)代碼優(yōu)化來(lái)說(shuō)可能成為嚴(yán)重的弱點(diǎn)。

　　上述兩種只采用RISC的方式對(duì)功率的需求均很大。這主要表現(xiàn)在RISC 處理器在架構(gòu)上沒(méi)有為信號(hào)處理進(jìn)行優(yōu)化，因此需要更多的指令周期才能執(zhí)行高強(qiáng)度數(shù)學(xué)運(yùn)算的多媒體算法。平均而言，RISC需要三倍于 DSP 的指令周期才可執(zhí)行相同的計(jì)算。當(dāng)然，更多的指令周期意味著更大的功耗以及更短的電池壽命。此外，基于RISC 的解決方案可能對(duì)未來(lái)擴(kuò)展預(yù)留的空間比較有限。

　　于是，一種建立在雙處理器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上的新架構(gòu)就應(yīng)運(yùn)而生。為有效消除前兩種方式的弱點(diǎn)，RISC 處理器和強(qiáng)大的 DSP核心 被集成到在同一芯片器件上，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)。TI 在其 OMAP™ 系列處理器便是這種方式的代表。當(dāng)前OMAP1510、OMAP5910系列以及TI 新型的OMAP161x 系列都屬于這樣的雙核應(yīng)用處理器，其中包括TI 功耗的定點(diǎn) DSP TMS320C55x™，以及 TI 增強(qiáng)型 ARM™ 微處理器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，上述雙核器件能夠在 289 引腳芯片中高效處理多媒體以及MMI任務(wù)，這289 引腳芯片不僅可以節(jié)約板級(jí)空間，而且還可減小功耗及成本。ARM核心運(yùn)行操作系統(tǒng)，而DSP處理多媒體應(yīng)用（請(qǐng)參見(jiàn)附圖）。

　　應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　許多技術(shù)上的可行性在實(shí)際的應(yīng)用中不可避免地要遇到這樣或那樣的難題，RISC 處理器在無(wú)線通信中的應(yīng)用也是如此。盡管當(dāng)前產(chǎn)品在開(kāi)始利用 3G 無(wú)線多媒體通信設(shè)備的潛力，但許多相關(guān)產(chǎn)品都幾乎已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)處理性能的極限。因此，一些現(xiàn)有無(wú)線通信設(shè)備在典型的終用戶(hù)環(huán)境中并未能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。例如，某些設(shè)備具備語(yǔ)音識(shí)別功能，但如果周?chē)h(huán)境不是完全安靜，就不能夠正常工作。

　　上述問(wèn)題的原因在于某些器件設(shè)計(jì)人員試圖在 RISC 處理器上實(shí)施回波抵消以及噪聲抑制等算法。噪聲及回波抵消在一定的程度上是可行的，但實(shí)施結(jié)果并不十分強(qiáng)大可靠。假如在RISC上進(jìn)行更強(qiáng)大可靠的實(shí)施將會(huì)極大縮短電池壽命。面對(duì)這些復(fù)雜問(wèn)題，一些OEM廠商寧愿放棄了豐富而強(qiáng)大可靠的實(shí)施，這是因?yàn)橐环矫?RISC 不能提供足夠的性能，另一方面雖然達(dá)到了期望性能，但其功耗水平簡(jiǎn)直讓人無(wú)法接受。

　　而將 RISC 處理器與 DSP 高效結(jié)合在一個(gè)器件中，則可以在提供高質(zhì)量語(yǔ)音識(shí)別所需的強(qiáng)大可靠的處理功能的同時(shí)，還可以顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。而且，集成的雙處理器還可解決MPEG4 視頻等應(yīng)用帶來(lái)的問(wèn)題。相比之下，單純的RISC 處理器就不能在不消耗大量電池電量的情況下提供上述應(yīng)用所需的信號(hào)處理功率。此外，用戶(hù)在進(jìn)行如改變音量的操作請(qǐng)求時(shí)，要求RISC引擎進(jìn)行切換以便為請(qǐng)求提供服務(wù)，這樣常常會(huì)影響實(shí)時(shí)任務(wù)，導(dǎo)致失幀以及服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 下降。另一方面，可編程 DSP 允許開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)嵤┤魏慰捎玫臉?biāo)準(zhǔn)，而有效避免不可接受的電池電量消耗；且能夠通過(guò)ARM的處理滿足用戶(hù)請(qǐng)求，而不影響運(yùn)行于 DSP 上的實(shí)時(shí)算法的服務(wù)質(zhì)量。

　　并行采用 RISC 處理器及DSP同時(shí)也解決了上述等待時(shí)間問(wèn)題，避免了 RISC 為處理一個(gè)應(yīng)用而暫停另一個(gè)應(yīng)用的麻煩。在雙處理器環(huán)境中，DSP 可以在處理正在運(yùn)行應(yīng)用的同時(shí)，讓RISC處理同一時(shí)鐘周期的其它應(yīng)用，這樣的協(xié)同工作充分保證了系統(tǒng)的可靠性。

　　由于 TI 在 OMAP 系列處理器中實(shí)施了集成的雙核處理方式，因此雙核器件可幫助系統(tǒng)與無(wú)線設(shè)備，甚至不是僅是與電話相關(guān)的應(yīng)用進(jìn)行集成。一系列豐富的片上外設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)與常用設(shè)備如USB、UART、藍(lán)牙、GSM模塊等進(jìn)行幾近無(wú)縫的連接。

　　軟件解決方案

　　對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，為雙處理器環(huán)境編寫(xiě)應(yīng)用或許是一種挑戰(zhàn)。為便于開(kāi)發(fā)人員的編程進(jìn)程，TI采用 DSP 橋接器以及多媒體引擎網(wǎng)關(guān)，可以有效減輕程序開(kāi)發(fā)的負(fù)擔(dān)。通過(guò)位于兩個(gè)核心上的軟件層，DSP 橋接器提供了ARM與DSP之間的鏈接，而無(wú)需涉及太多的細(xì)節(jié)，DSP 橋接器基本上能夠?qū)С鲆幌盗?API 到運(yùn)行于 ARM 上的多媒體引擎，以便訪問(wèn) DSP 資源。多媒體引擎將一系列開(kāi)發(fā)人員熟悉的標(biāo)準(zhǔn)API依次導(dǎo)出到應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)始多媒體任務(wù)時(shí)需要做的不過(guò)是執(zhí)行熟悉的函數(shù)調(diào)用而已，例如調(diào)用 "PlayMp3(song.mp3)"，便可以開(kāi)始播放MP3歌曲。

　　在 DSP 軟件開(kāi)發(fā)方面，DSP 橋接器即管理 DSP 資源及數(shù)據(jù)流，又提供到 DSP 算法的接口。這些算法可以定制，也可以是來(lái)自第三方的"現(xiàn)成"算法。為推動(dòng)第三方算法的實(shí)施，TI 首先推出了開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)"快速 DSP 算法接口標(biāo)準(zhǔn)"（簡(jiǎn)稱(chēng) xDAIS）。這一廣泛采用的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)確保了符合標(biāo)準(zhǔn)的算法將遵循統(tǒng)一的規(guī)則組，并與系統(tǒng)無(wú)縫集成。

　　總結(jié)

　　以新型無(wú)線多媒體設(shè)備應(yīng)用為代表的數(shù)字信息產(chǎn)品，包括 MPEG4、文本到語(yǔ)音轉(zhuǎn)換、統(tǒng)一消息發(fā)送、因特網(wǎng)音頻、視頻會(huì)議、視頻流等，都要求性能和功能更強(qiáng)大而耗電量更少的處理器。將RISC處理器和DSP獨(dú)特功能集成到單一器件上的雙核處理器能夠地滿足上述要求，而這種單一器件還能夠提供各種的豐富外設(shè)。其軟件開(kāi)發(fā)可使在雙核器件上實(shí)施與單獨(dú)使用 RISC 處理器同樣簡(jiǎn)單。DSP的開(kāi)放式軟件標(biāo)準(zhǔn)為其第三方開(kāi)發(fā)鋪平了道路，并終有效加速產(chǎn)品推出和上市進(jìn)程。