采用模塊化架構(gòu)應用處理器擴展手機功能

　　在下一代多功能手機中，DSC、MP3、游戲和視頻等應用百花齊放。如果只用基帶芯片實現(xiàn)這些功能，那么將顯著增加CPU的負荷并影響通信處理性能。應用處理器(AP)適合于擴展手機功能，而且采用模塊化架構(gòu)的AP子系統(tǒng)可重復用在不同移動系統(tǒng)制式的手機。本文將探討對AP的要求以及AP與現(xiàn)有基帶芯片的整合。
　　
　　大多數(shù)手機制造商會采用半導體供應商提供的參考設計方案。這種方案主要由目標代碼和少量源代碼組成。研發(fā)工程師難以對該方案進行修改和加入新功能。此外，基帶芯片有限的資源使它不可能實現(xiàn)高負荷的多媒體應用，如DSC、MP3、MPEG-4、游戲和視頻電話等，而這些對高端移動電話來說是必需的。
　　
　　這些制造商在參考方案的硬件和軟件方面都很有經(jīng)驗。參考方案的質(zhì)量經(jīng)過驗證，并在商業(yè)化產(chǎn)品中得到證明。它最好能在隨后的產(chǎn)品中重復使用，而不是重新開發(fā)一切功能。為了將現(xiàn)有的手機設計向高端電話升級，對制造商來說，應用處理器架構(gòu)是一條捷徑。現(xiàn)有的基帶系統(tǒng)可重復使用并連接到一個AP子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)類似于一個模塊，可連接到基帶系統(tǒng)上。
　　
　　模塊化架構(gòu)
　　
　　擴展手機特性的傳統(tǒng)方法是在基帶芯片上編寫并執(zhí)行新應用程序。這種單芯片架構(gòu)需要工程師升級基帶芯片以獲得更多的CPU能力。為了實現(xiàn)照相機功能和SD/MMC的連接就要對電路進行重新設計。基帶代碼要移植到新的芯片之中。現(xiàn)有的功能要徹底地重新驗證，即使它們以前進行過測試。此外，對這種單芯片架構(gòu)來說，程序代碼的規(guī)模將非常大而且很復雜。這導致開發(fā)和調(diào)試的時間拉長，并最終增加開發(fā)的成本。
　　
　　通過采用模塊化的AP架構(gòu)，曾經(jīng)占用過多CPU資源的多媒體功能應用程序可以在AP上執(zhí)行。現(xiàn)有手機上的大部分代碼和電路只需稍加修改就可重復使用。軟件工程師因而可以將精力集中于開發(fā)新的應用程序。這些應用程序只需在AP上開發(fā)和調(diào)試。
　　
　　這種雙處理器方案把基帶工作和AP工作分開，一個處理器實現(xiàn)基本的電話功能，另一個處理器實現(xiàn)多媒體功能。基帶處理器實現(xiàn)目前手機所做的呼叫/接聽等基本的電話功能，AP處理器專用于處理高負荷的多媒體應用。這消除了由新應用的軟件缺陷引起基帶失效的風險。例如，新應用上一個不成對的去能/使能中斷將掛起實時操作系統(tǒng)調(diào)度表，如果它是在單一處理器上執(zhí)行的話，這將終止所有電話功能。
　　
　　基帶和AP處理器之間的通信靠消息傳遞實現(xiàn)。激活或撤消新應用程序的命令以消息的格式從基帶處理器傳送到AP處理器。

　　
　　以模塊化架構(gòu)的形式，AP構(gòu)成一個子系統(tǒng)并與基帶處理器隔離開來。主LCD和子LCD連接到AP而不是基帶處理器上，以便達到最佳的多媒體應用視覺性能。音頻編碼/解碼器可以連接到基帶或AP處理器上，具體做法取決于所涉及的難度。AP上的視頻I/O硬件專用于照相機傳感器。它以YUV格式解碼照相機的輸出并轉(zhuǎn)換成RGB用于顯示。SD/MMC卡連到AP以便在外部存儲數(shù)據(jù)。片上的NAND/AND閃存可用于存儲除引導加載器之外的數(shù)據(jù)和主程序。NOR閃存也可用于存儲主程序和引導加載器，這取決于成本。SDRAM作為運行存儲器。對處理圖像數(shù)據(jù)的多媒體應用來說，它應該很大。AP子系統(tǒng)如圖1所示。

　AP子系統(tǒng)的要求
　　
　　1．連接簡單
　　
　　AP必須易于連接到基帶處理器上。連接的最簡單方式是采用一個SRAM接口。它可以靈活地連到8位和16位總線基帶系統(tǒng)。此外，它需要與8086和68000系統(tǒng)總線兼容。該SRAM接口總線與AP系統(tǒng)總線隔離，以便基帶訪問AP總線和AP訪問系統(tǒng)總線可以同時工作。
　　
　　2．“穿過”(pass through)特性
　　
　　由于LCD連到AP而不是基帶處理器上，因此從基帶提取圖像送往LCD成為間接的動作。傳統(tǒng)的取送方法需要兩個步驟：第一步是從基帶向AP發(fā)送取命令；第二步是從AP向LCD送圖像數(shù)據(jù)。采用這種方法AP要處于加電狀態(tài)，因而增加了功耗。而且已有的基帶代碼要從直接訪問命令的基礎上進行修改。工程師需要時間來開發(fā)、測試和糾錯。
　　
　　AP處理器上的“穿過”特性使得基帶處理器可以訪問LCD，即使該AP處于節(jié)電模式下(見圖2)。在這種模式下，不管是主LCD還是子LCD都可訪問。可以“穿過”的最大器件數(shù)目設定為4。這為未來的擴展預留了空間。功耗在節(jié)電狀態(tài)下達到最低。因而手機的待機時間可以最大化。有了這種直接訪問特性，現(xiàn)有代碼無需修改就可重復使用。它減輕了工程師的工作負荷并縮短了開發(fā)時間。
　　
　　3．基帶引導功能
　　
　　通常，NOR閃存用于存儲AP程序。它在AP提供接收引導代碼功能的情況可去除，即AP從基帶處理器接收引導代碼(引導加載器)，隨后運行該代碼的情況下。通過利用這種特性，主程序可以存儲在不昂貴的NAND/AND閃存上。引導加載器將主程序從數(shù)據(jù)閃存加載到SDRAM，并最終在該SDRAM上運行它。一個不同的引導加載器可用來重寫/更新主程序。即使在重寫期間發(fā)生異常中斷，對最終產(chǎn)品也沒有任何損害。這是因為該重寫引導加載器存儲在基帶而非AP的閃存上。
　　
　　4．視頻I/O
　　
　　AP上的視頻接口硬件專用于解碼照相機傳感器的輸出信號。它無需編寫代碼就可檢測來自該傳感器的水平和垂直信號，并且將其加碼解碼成行列數(shù)據(jù)。將YUV轉(zhuǎn)換成RGB或者將RGB轉(zhuǎn)換成YUV是靠硬件實現(xiàn)，不是靠軟件計算。這帶來速度和效率。一個SXGA分辨率照相機傳感器的輸出YUV格式為4:2:2，每秒15幀，這意味著每秒可處理1,280×1,024×8×15=157,286,400字節(jié)。如果靠軟件來計算，這會耗費大量的CPU資源。

　　
　　5.集成基帶與AP
　　
　　基帶系統(tǒng)和AP子系統(tǒng)的集成類似于把一個SRAM加到基帶處理器上。基帶應該最多保留7個I/O端口和一個中斷來控制AP。除去某些AP功能，如“基帶引導”和“穿過”，可以降低對I/O的需求。
　　
　　本文小結(jié)
　　
　　手機上的各種應用將使復雜度增加。讓這些應用全由基帶處理器實現(xiàn)是困難的，甚至是不可能的。應用處理器架構(gòu)簡化了工程師的工作，他們可以把現(xiàn)有的手機設計擴展到下一代多媒體電話之中。這種模塊化架構(gòu)對現(xiàn)有手機設計方案的修改降到最低程度，使得工程師只需集中精力開發(fā)新應用。它還允許工程師分別開發(fā)并調(diào)試基帶和AP上的應用，顯著縮短了開發(fā)時間。通過采用不同的基帶，該架構(gòu)使得手機制造商可以將該AP子系統(tǒng)上的硬件和軟件重復用于不同的移動系統(tǒng)上。