利用 OMAP™ 4 平台从容应对集成多种应用的挑战

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利用 OMAP™ 4 平台从容应对集成多种应用的挑战

作者：Scott Eisenhart (TI OMAP 平台用户体验经理)，Robert Tolbert (TI OMAP 平台营销经理) 前言 当今的无线移动设备拥有众多丰富的应用 ，如从因特网浏览、视频播放与录制乃至 CD 质量级音频播放等应用，一应俱全。此外，移动电话还可提供需要多种天线的应用，如 FM 广播、GPS、Bluetooth® 以及 WLAN。当前面临的挑战是如何设计能成功集成上述所有应用以及诸如 HD 视频、高保真音频与数字 SLR 类影像等新一代应用的平台。 为了实现最精彩的用户体验，需要从全新的视角审视相关器件的设计。手持终端的功能不再只是单纯的接打电话和收发短信。我们可能会遇到如下用例：在通过 WLAN 观看电影的时候收到来电。最理想的用例是电话能够自动切换至通过蓝牙耳机接听电话，同时暂停电影，然后挂掉电话后再自动切换回从暂停之处恢复电影播放。 针对这些复杂的用例进行设计需要细分到系统组件，如蓝牙、视频编码／解码、影像处理以及音频等。然后可以优化各个组件以及组件与系统之间的交互。基于上述理念的德州仪器 (TI) OMAP™ 4 处理器平台能够在开始实际的手持终端设计之前清除一切障碍，从而大幅加快并简化客户的开发进程。 复杂用例挑战 设计实现最佳用户体验时必须克服四大复杂的用例挑战。首先是需要设计充足的带宽。系统必须拥有容量足够的存储器、总线以及处理带宽，以便在不经历任何系统停机的情况下处理系统收发的大量信息。 第二大挑战是时延。用户希望能够即时打开应用并能够毫无延迟地在应用之间进行切换。设计尽可能短的系统时延需要高效率的资源共享及高度优化的软件。 面向用例的设计的第三个挑战是实现应用之间的无缝转换，也就是说，使同一部手持终端的多个应用在不相互干扰或妨碍的情况下全部共享资源。设计既拥有最高性能、又能保持共存的应用是一个艰巨的挑战。 最后面临的挑战是设计全天天池使用寿命。在当今可用电池功率限制下完成设计，同时还要提供当今顶级应用所需的性能真可谓难上加难。为了达到功耗与性能的最佳平衡，平台的设计必须采用整体电源管理方案，即着眼于整个系统而不仅是以单颗芯片为基础。 为了解决上述用例挑战，必须在系统级、而非仅限于芯片级进行手机架构的设计。通过设计能在芯片级、软件级以及系统级实现最高性能和最高效率的 OMAP 4 平台，TI 已达到了上述目标。预集成的 OMAP 4 应用软件（包括直至应用层的所有软件）不仅可实现高度优化而且还能加速产品上市进程。通过设计可适应最复杂用例的 OMAP 4 平台，TI 能够实现 HD 多媒体以及众多其他的高性能应用。 针对带宽的设计 新一代移动设备将需要提供 30 帧每秒的全 1080p 高清 (HD) 视频播放，而且具有与视频同步的高保真音频。如果没有足够的带宽，不但无法实现音频与视频的同步，手持终端也无法提供 30fps 满帧频，且可能仅达到 22 fps，这样人眼就会检测到视频的抖动现象。另外，如果系统缺乏足够带宽，因特网浏览等应用就无法带来用户所期望的堪比 PC 性能的体验。 TI 设计的 OMAP 4 平台能够充分满足最复杂用例的带宽需求。OMAP 4 平台包含一个双核 ARM® Cortex™-A9 MPCore 对称多处理 (SMP) 内核，能够实现比单核解决方案更高的峰值计算性能。除了可提供超越最复杂用例需求的充足处理带宽，OMAP 4 平台还能够针对最简单的任务实现卓越的效率和灵活性。 为了充分发挥更高处理带宽的优势，需要采用带宽更高的存储器接口技术。OMAP 4 平台集成了一个双通道、低功耗双数据串行通信速率 2 (LPDDR2) 存储器接口，可以在并发系统活动下实现 1080p 视频性能。通过为OMAP 4 平台上的所有多媒体加速器提供虚拟存储器管理以及存储器交错管理，强大的 DRAM 内存管理器 (DMM) 可实现带宽优化。 个别 OMAP 4 子系统的其他改进有助于提供理想的带宽。视频子系统采用多种带宽节约方法并且集成了自身的片上高带宽共享 L2 存储器。部分带宽节约方法包括： 运动估计搜索窗口 Luma 数据压缩； 运动估计搜索窗口管理； 将负载合并成单个更大负载的运动补偿包围盒 (Motion compensation bounding box)； 更大的内部共享 L2 缓冲器，可减少发送至 DDR 的数据流。 Imagination Technologies 公司提供的集成图形加速器可在 OMAP 4 平台上实现出色的 3D 图形。POWERVR™ SGX540 内核专用于移动应用，具有独特的基于区块 (Tile) 的延迟渲染光影架构，能够在降低存储器带宽的同时使渲染 (shader) 引擎与迭代/纹理通道 (iteration/texture pipe) 吞吐能力翻番，从而能够以 4 倍于前代内核的可持续性能实现浸入式 (immersive) 用户界面、高级游戏与丰富的 3D 地图应用。另外还包含一个 128 位的内部存储器总线，以满足更高的系统带宽需求并提高处理性能。OMAP 4 平台的显示子系统也包含一个升级后的 128 位 OCP 系统接口，可支持带宽提升。 OMAP 4 平台面向带宽的设计的最后范例是影像子系统。以 1 秒钟的连续拍摄延迟提供高达 2,000 万像素、堪比数字 SLR 的性能需要大量的处理带宽。OMAP 4 平台的影像信号处理器 (ISP) 可为存储器至存储器操作提供精细化的带宽控制，从而能够以 200MHz 的频率提供每秒 2 亿像素的吞吐能力。高性能 DMA 引擎可以进一步提高 ISP 带宽。 所有这些改进综合在一起，将有助于增强 OMAP 4 系统的性能与带宽，能够以用户所需的性能提供他们期望的应用。 移动手机用户希望设备中的应用能够平稳运行，并且在切换应用时无任何延迟。例如，如果正在通过 WLAN 观看视频，而此时有电话打进来，用户则希望能够无任何延迟地通过蓝牙耳机接听电话。如果用户正在使用手机的内置相机，则希望能够连续快速拍摄，而不必等待手机完成处理。高性能处理器与高系统带宽可有效减轻时延问题带来的影响。 TI OMAP 4 平台集成了性能是前代ARM Cortex-A8 处理器150%的双核 ARM Cortex-A9 SMP 处理器，可实现业界最高性能。设计人员重新设计了内存控制器子系统和总线系统，为 SMP 应用提供了更高效的多线程操作。新的 OMAP 4 平台采用更平滑、响应速度更快的用户界面，开机速度更快，应用启动更迅速，并能实现跨应用的无缝多任务处理，从而可为用户提供更精彩的用户体验。 此外，TI 还采取了众多其他措施来确保 OMAP 4 平台的高性能与低时延特性，其中包括用于主流视频编解码器的硬连线视频加速器，可提供符合多种标准的 1080p、30fps 编码／解码。高速 ISP 采用面向影像应用的专用 CPU 不仅可实现高达2000万像素高质量拍照，同时还可降低拍照延迟几率。 通过集成改进后的 SDRAM 控制器，OMAP 4 平台可以利用以下方法提高性能和降低时延： 旨在最大化提高整体内存利用率的重新排序命令 限制读到写或写到读过渡的延迟写入 支持 OCP 接口的单请求／多数据交易，以便有效提高预查找缓冲 (Look- ahead) FIFO 的深度和实现更有效的重新排序命令。 TI 为了降低时延而采取的一项极其重要的措施是对软件进行优化和预集成以达到应用级水平。这项措施有助于在设计前期降低时延，实现最高性能和系统级优化，从而为最终用户提供低时延应用。 针对无缝转换的设计 由于需要在同一平台上集成越来越多的应用，因此无缝转换的复杂性已经成为一个至关重要的设计问题。例如，如果用户正在通过 WLAN 观看视频并且通过蓝牙耳机接收其音频，而此时又需要接听电话，重要的是需要确保用户暂停视频后能够正常接听电话，而且在挂断电话后能够毫无延迟且无缝地继续播放视频，或在此过程中不会丢失视频帧或无法实现音频与视频的同步。 难题在于，如何在不影响系统响应性或最糟糕的系统断电的情况下，仍确保同时运行多个应用并使其共享资源。其中的关键是管理设备中多个内核共享的资源。 对于资源共享需要考虑的三个主要问题：带宽、处理器负载和存储器。每个高性能用例均需要保证一定性能余量，以便同时启动其他应用。在启动应用时不应当达到最高性能，而且需要确保资源的切换不会使用户察觉到性能降低。 为了解决应用过渡问题，TI 预先集成了操作系统 (OS) 和多媒体应用软件以测试 IC 与 HLOS 的交互性，从而确保实现无缝转换。这种复杂的测试方法可确保在客户开始设计之前发现并解决一切问题。高度优化的软件可提高系统吞吐量与响应性，同时确保所有应用都可以同时顺利运行。 针对电源的设计 随着不断为设备添加功能更强大的应用，新一代手机的电源用例正变得日益广泛。用户希望一次充电就能够获得全天上网体验或在飞行模式下实现超过 100 个小时的音频播放。所有这些应用均需要更先进的电源管理技术，才能提供用户预期的性能。 OMAP 4 平台集成 TI SmartReflex™ 2 技术，能够实现先进的电源管理及优化性能。SmartReflex 2 技术可为最先进的电源管理技术提供周全的软硬件支持，其中包括动态电压与频率调节 (DVFS)、自适应电压调节 (AVS)、动态电源切换 (DPS)、静态漏电管理 (SLM) 及自适应体偏压 (ABB)。 DVFS 可动态地调节电压和频率，以适应系统中特定应用的性能需求。由于能够在多个电压域中提供独立 DVFS 支持，OMAP 4 平台能够以最适当的电压和频率运行，从而最大限度地降低功耗，同时使相关核心域能够保持固定频率或者为超低功耗用例进一步降低功耗。 利用能够根据硅芯片工艺与温度条件不断调节相关域电压的完整硬件闭合环路，AVS 可在最小化电压的同时保持高性能。AVS 确保每个电压域都能在各个操作／性能点 (OPP) 始终以最低电压运行。 DPS 与 SLM 可合作降低硅芯片的漏电功耗。DPS 可根据系统活动动态切换电源模式，而 SLM 则可确保符合系统响应性要求的最低待机电源模式，以减少漏电功耗。这两种技术有助于解决采用更先进的深亚微米工艺（如：OMAP 4 平台的 45 nm 工艺）时出现的更严重的芯片级漏电功耗问题。 可将 ABB 分为两种不同的技术，即可将低速器件性能提高多达 15% 的顺向偏压 (FBB)，以及将高速器件泄漏降低 40% 的逆向偏压 (RBB)。FBB 与 RBB 允许器件生产出来之后对其晶体管阈值电压进行轻微改动，且可提高性能并减少漏电。 这些先进电源管理技术结合预集成的接口、操作系统和多媒体应用软件可确保为 OMAP 4 平台提供各方面的功率优化。 成功实现面向复杂用例的设计 为了在未来成功实现手持终端设计，OEM 厂商必须考虑到极其复杂的用例。这就需要将每个用例分解到系统级组件中并优化各个组件与整体系统。虽然存在众多用例，但需要解决的是 4 个主要设计问题：带宽、时延、无缝转换及电源。不将上述问题纳入考虑事项的设计根本无法满足新一代手持终端设计的需求。 TI 从芯片级、软件级及系统级设计 OMAP 4 平台，旨在解决上述挑战，并满足新一代手持终端的需求。借助 OMAP 4 平台已拥有的极佳功耗与性能优化，客户可以游刃有余地设计新一代应用与手持设备。 如欲了解更多信息，敬请访问： www.ti.com/wireless 重要声明：TI 及其在此所提及各子公司的产品与服务均根据 TI 标准销售条款进行销售。TI 建议用户在下订单前查阅最新最全面的产品与服务信息。对于应用协助、客户的应用或产品设计、软件性能或者专利侵权，请恕 TI 概不负责。有关任何其它公司产品或服务的发布信息均不构成 TI 因此对其的批准、保证或授权。 OMAP 与 SmartReflex 均是德州仪器的商标。Bluetooth 字标与徽标归蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 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