個(gè)人多媒體進(jìn)入車載應(yīng)用對(duì)SoC平臺(tái)的技術(shù)要求分析
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實(shí)現(xiàn)的方案
由于汽車OEM的設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，因而一種成熟的車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)不太可能在一個(gè)產(chǎn)品周期中突然成為現(xiàn)實(shí)，而是必定要從包括標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧器、模擬信號(hào)處理器和傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)器(CD)的現(xiàn)有系統(tǒng)不斷發(fā)展改進(jìn)。
下一步將是已在興起的數(shù)碼音頻潮流，但在未來(lái)幾年內(nèi)，模擬信號(hào)處理將完全讓位于DSP、數(shù)字IF調(diào)諧器、為數(shù)字媒體定制的電源系統(tǒng)以及包括大量媒體處理的存儲(chǔ)器。
接下來(lái)將是導(dǎo)航、遠(yuǎn)程通信和視頻——不過(guò)目前還難以預(yù)測(cè)特定的功能如何實(shí)現(xiàn)。最后，信息娛樂(lè)系統(tǒng)將包括收音機(jī)和GPS、蜂窩和數(shù)字視頻廣播接收機(jī)。
汽車電子設(shè)計(jì)工程師面臨的問(wèn)題相當(dāng)有挑戰(zhàn)性：未來(lái)十年左右，他們大概還需要?jiǎng)?chuàng)建多少全新的架構(gòu)？
一種觀點(diǎn)認(rèn)為，將來(lái)只存在一種配置性能很強(qiáng)的架構(gòu)，而且同樣重要的是——車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)將沿著與家庭娛樂(lè)系統(tǒng)非常相似的道路發(fā)展，家庭娛樂(lè)系統(tǒng)在過(guò)去三四年一直風(fēng)光無(wú)限。
下一代信息娛樂(lè)系統(tǒng)
下一代車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的基本要求已很明確：高性能、配置性能強(qiáng)以及能夠處理多個(gè)多媒體數(shù)據(jù)流。
這些要求顯然指向一組輔助屬性：高性能數(shù)字信號(hào)處理、RTOS以及標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程間通信(由保留裕量的軟件架構(gòu)來(lái)支持)。
繼家庭娛樂(lè)模式之后，硬件實(shí)現(xiàn)很可能是一個(gè)雙核心(RISC/DSP)SoC，在上面運(yùn)行RTOS及專門(mén)針對(duì)多媒體和流媒體要求而調(diào)整的第二個(gè)操作系統(tǒng)環(huán)境。
首先考慮RTOS，表1列出了雙核心RISC/DSP通信所需的RTOS增強(qiáng)功能。
當(dāng)然，流式多媒體的軟件環(huán)境必須與RTOS協(xié)同操作——但是其功能卻差異很大，因?yàn)檐浖h(huán)境是處理流媒體，而流媒體的格式和編解碼器變化異于常規(guī)。
流媒體軟件架構(gòu)首先是一個(gè)組件框架，要求：1.構(gòu)建和連接組件的協(xié)議要統(tǒng)一；2.API一致或相似；3.支持組件同步；4.發(fā)展路徑清晰。架構(gòu)的一項(xiàng)關(guān)鍵特性是每個(gè)組件都不應(yīng)該有全局意識(shí)。換句話說(shuō)，I/O可以通過(guò)應(yīng)用程序進(jìn)行配置。
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表1：RTOS要求和增強(qiáng)功能。 |
流媒體也對(duì)硬件架構(gòu)有特殊要求，首先是DSP。例如，VLIW架構(gòu)就較理想，因?yàn)榇思軜?gòu)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可處理多條指令。
多個(gè)多媒體數(shù)據(jù)流需要低延遲方能正常運(yùn)行，使用此架構(gòu)則有助于獲得更高的工作效率。其他較理想的DSP特征包括：用于計(jì)算的硬連接指令、用于快速計(jì)算的大寄存器以及額外的特殊內(nèi)存緩存，以增強(qiáng)性能。
DSP內(nèi)核——需要VLIW
十幾年前，TriMedia內(nèi)核就將VLIW架構(gòu)引入商用IC世界，從那以后不斷升級(jí)。它開(kāi)始是作為媒體處理器，因此非常適用于汽車信息娛樂(lè)計(jì)算。
TriMedia采用37個(gè)處理單元和128個(gè)32位寄存器，每個(gè)時(shí)鐘周期可最多處理5條指令。因此，以300MHz的時(shí)鐘速度，每秒鐘最多可執(zhí)行100億次操作。
其集成式內(nèi)存控制器可以操作處理16MB到256MB的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)型DDR SDRAM內(nèi)存系統(tǒng)。以最高400MHz的時(shí)鐘速度使用32位寬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率最高可達(dá)1.6Gbps。
如上所述，兼容各種編解碼器和格式標(biāo)準(zhǔn)是必需的。
TriMedia內(nèi)核可兼容所有主流的音頻和視頻標(biāo)準(zhǔn)，包括MPEG-2、MPEG-4、DV、RealNetworks和DivX-5。對(duì)于音頻應(yīng)用，它提供八進(jìn)制的數(shù)字音頻輸入及S/PDIF(杜比數(shù)字)輸入和輸出。其他幾項(xiàng)特性包括：
1. 針對(duì)DVD播放功能的32位、33MHz集成式DVD解擾器；
2. 帶集成PCI總線仲裁器的MHz PCI 2.2接口，最多4個(gè)主接口；
3. 16個(gè)專門(mén)的通用I/O針腳，適合用作軟件I/O針腳、外部中斷針腳、用于系統(tǒng)事件計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源/門(mén)，以及模擬高速串行協(xié)議；
4. 各種視頻功能。
RISC內(nèi)核
RISC內(nèi)核用作控制器使其功能更為通用。但是，因外圍設(shè)備很多而且要求苛刻，其性能并不能縮水。RISC內(nèi)核可運(yùn)行操作系統(tǒng)、執(zhí)行某種應(yīng)用軟件、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試情況，通常還會(huì)處理圖形用戶界面(GUI)。
它還控制I/O塊，例如UART、USB內(nèi)核和藍(lán)牙內(nèi)核，并處理所有內(nèi)存管理。
通常選擇32位內(nèi)核，例如ARM926EJ(時(shí)鐘速度為150MHz或更高，并具有多管道和高速緩存相當(dāng)大等架構(gòu)特性)，與多數(shù)SoC上的DSP共同分擔(dān)CPU任務(wù)。
ARM926EJ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
集成化平臺(tái)
將DSP和RISC核心以及RTOS與流媒體軟件架構(gòu)集成在一起的平臺(tái)策略，似乎是車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)必然的選擇。不論對(duì)每個(gè)組件，還是對(duì)平臺(tái)，娛樂(lè)系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)都極為關(guān)鍵。
例如，SoC平臺(tái)(如飛利浦半導(dǎo)體公司的Nexperia汽車平臺(tái))可接收、解碼、后期處理并顯示具有不同格式的多個(gè)視頻數(shù)據(jù)流，包括支持無(wú)線電、多通道音頻和視頻源。
為處理流媒體，需進(jìn)行以下架構(gòu)創(chuàng)新：
1. 采用高級(jí)通信和同步技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存架構(gòu)；
2. 確保系統(tǒng)可預(yù)測(cè)性、易于編程、與ISV協(xié)同工作及所承諾的實(shí)時(shí)行為的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)；
3. 與硬件架構(gòu)互補(bǔ)的軟件架構(gòu)。
在Nexperia汽車平臺(tái)中，ARM內(nèi)核處理高級(jí)OS、控件和應(yīng)用軟件。TriMedia內(nèi)核處理無(wú)線電接收所需的音頻和信號(hào)處理，以及視頻(如果適用)的壓縮和解壓縮，及其他數(shù)據(jù)密集型處理任務(wù)。兩個(gè)CPU都是單一集成系統(tǒng)的一部分。
共享統(tǒng)一的內(nèi)存使其可以有效地通信，以簡(jiǎn)單的方式共享數(shù)據(jù)，并可大幅降低內(nèi)存成本——對(duì)于非常占用內(nèi)存的應(yīng)用程序效果顯著。
每個(gè)處理器內(nèi)核幾乎可以尋址任何外圍設(shè)備——但每個(gè)外圍設(shè)備都分配給其中一個(gè)內(nèi)核的任務(wù)域。這樣，通過(guò)分離應(yīng)用中的問(wèn)題(流媒體與控制任務(wù))，可保證汽車應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)行為的整體系統(tǒng)性能。
在高層級(jí)角度，Nexperia汽車架構(gòu)包括三個(gè)任務(wù)域(參見(jiàn)圖2)。主干是基礎(chǔ)架構(gòu)，其將外部SDRAM和SoC外圍設(shè)備連接，以實(shí)現(xiàn)高處理量和低延遲訪問(wèn)。
剩余兩個(gè)域是ARM基礎(chǔ)架構(gòu)，其將ARM內(nèi)核連接到其域中的外圍設(shè)備。TriMedia內(nèi)核采用相同的方法。這使得處理器無(wú)需多余的干預(yù)，即可執(zhí)行特定域處理。此外，該基礎(chǔ)架構(gòu)包括連接ARM和TriMedia總線的交叉橋，使每個(gè)處理器的內(nèi)存映射I/O訪問(wèn)能夠控制或觀察到所有外圍設(shè)備的狀態(tài)。
應(yīng)用圖表中定義了不同CPU之間的通信和流路徑。它由流框架提供支持，并根據(jù)平臺(tái)要求的處理類型進(jìn)行配置。根據(jù)當(dāng)時(shí)正在處理的數(shù)據(jù)類型，可以動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、連接、配置及破壞專用的信號(hào)處理模塊。如此便可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的輕松編程和模塊的快速集成。
TriMedia流框架和ARM高級(jí)OS與基礎(chǔ)架構(gòu)緊密連接，以確保系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性。根據(jù)函數(shù)類型，必須針對(duì)計(jì)時(shí)要求進(jìn)行權(quán)衡折衷，例如無(wú)線電和TV接收的硬實(shí)時(shí)狀況、視頻和媒體支持功能的軟實(shí)時(shí)狀況，以及“盡力”獲取接入服務(wù)。
該基礎(chǔ)架構(gòu)還能夠與獨(dú)立軟件供應(yīng)商(ISV)協(xié)同工作，并保證實(shí)時(shí)行為。這種穩(wěn)健性在汽車領(lǐng)域是不可或缺的。
Nexperia平臺(tái)實(shí)際上早就參與了下一代DSP/RISC SoC的研究發(fā)展，其將信號(hào)處理分派給多個(gè)內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都由專門(mén)的硬件加速器提供支持，這些加速器均由設(shè)計(jì)者使用高級(jí)編程語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)進(jìn)行軟件配置。
評(píng)論