便攜式多媒體設(shè)備的功率管理

便攜式設(shè)備的多媒體功能近年得到快速發(fā)展，性能也不斷提升，但隨之而來的功耗問題對設(shè)計(jì)工程師帶來極大的挑戰(zhàn)。本文作者從系統(tǒng)架構(gòu)、存儲器、射頻傳輸?shù)葘用嬖敿?xì)探討了降低便攜式多媒體設(shè)備功耗的方法和思路。
　　
支持高質(zhì)量的多媒體功能是當(dāng)今2.5及3G通信設(shè)備所必備的一項(xiàng)重要技術(shù)。運(yùn)營商需要提高每用戶平均消費(fèi)，而使用戶消費(fèi)更多的音視頻及數(shù)據(jù)服務(wù)則是運(yùn)營商目前用來增加用戶平均消費(fèi)的一種途徑。關(guān)鍵應(yīng)用包括視頻會議、音視頻新聞剪輯、手機(jī)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(shè)備上高質(zhì)量的多媒體體驗(yàn)。多媒體功能并非僅僅是遵循幾項(xiàng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，其質(zhì)量還必須值得用戶消費(fèi)。要滿足這樣質(zhì)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(shè)備來說具有一定挑戰(zhàn)。
　　
傳統(tǒng)上，智能電話等聯(lián)網(wǎng)便攜式設(shè)備的電池工作時(shí)間是信號傳輸時(shí)間的函數(shù)，因?yàn)樯漕l是便攜式設(shè)備中產(chǎn)生功耗最多的部分。但隨著2.5G及3G手機(jī)能實(shí)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)及多媒體應(yīng)用，人們很快發(fā)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)操作將產(chǎn)生比無線傳輸更多的功耗。
　　
為理解這一點(diǎn)，讓我們來看一下置于一個(gè)系統(tǒng)上的兩路視頻會議通信消耗功率的功能部分：攝像機(jī)(1)必須捕捉(2)用戶圖像并采用H.264等計(jì)算密集型算法將其編碼(3)，同時(shí)將輸入圖像譯碼(4)并輸出給顯示器(5)，并通過揚(yáng)聲器或耳機(jī)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(gè)數(shù)量級。但如果由于電池的問題你只能有20分鐘的通話時(shí)間，這樣的視頻會議服務(wù)有誰會去使用呢？電池壽命作為便攜式設(shè)計(jì)考慮中的重要因素在此時(shí)變得比以往更為關(guān)鍵。

從系統(tǒng)架構(gòu)考慮低功耗設(shè)計(jì)
　　
完全加電的單芯片架構(gòu)可以通過動態(tài)調(diào)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(shí)刻將運(yùn)行何種負(fù)載，因此開發(fā)商可以通過模型來仿真系統(tǒng)，并通過軟件機(jī)制來管理功率，。
　　
單芯片架構(gòu)的一個(gè)缺點(diǎn)是處理器必須能滿足系統(tǒng)最大負(fù)載情況的處理。由于用戶只是偶爾調(diào)用全部系統(tǒng)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(shí)全部使用。例如，密碼加速器引擎即使沒有數(shù)據(jù)加密也在消耗功率。許多便攜式應(yīng)用的處理器，例如意法半導(dǎo)體的Nomadik應(yīng)用處理器等，都能通過讓你關(guān)掉器件目前不用的部分來降低功耗。對于擁有多個(gè)加速引擎的設(shè)備，例如那些必須采用多媒體處理器的設(shè)備等，這將有效地提高效率。關(guān)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(fā)現(xiàn)很難掌握實(shí)際功耗，因?yàn)槟惚仨氝M(jìn)行精細(xì)的控制。當(dāng)然，采用低功耗外設(shè)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(jī)來節(jié)省功率。
　　
像這樣在系統(tǒng)層面上成功地管理功率，要求在你的設(shè)計(jì)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(yáng)聲器，則這些額外的芯片已經(jīng)消耗掉了一部分你可能節(jié)省的功率。集成在你核心設(shè)計(jì)中的接口可創(chuàng)造一種能使你方便地增加或去除外圍器件的中心架構(gòu)(見圖1)，這種靈活性同時(shí)也讓你能用同樣的基本架構(gòu)來設(shè)計(jì)出系列產(chǎn)品線。例如，你可以根據(jù)不同應(yīng)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(nèi)部驅(qū)動程序就可實(shí)現(xiàn)你的不同設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
　　
靈活性也能擴(kuò)展至架構(gòu)中的處理單元。多媒體標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常變化，而且應(yīng)用本身也在以一種難以預(yù)期的方式發(fā)展，支持可編程對于保持與未來標(biāo)準(zhǔn)、以及采用該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容的兼容性非常重要，但必須以硬件加速來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量播放。例如以專用芯片來實(shí)現(xiàn)MPEG4可在一定程度上減少系統(tǒng)成本，但必須以犧牲系統(tǒng)可升級性及增加設(shè)備尺寸與功耗為代價(jià)。

而使用外圍器件則可用中心架構(gòu)來保留最大的靈活性及處理能力，在這種架構(gòu)內(nèi)，多媒體處理既不是用硬件來實(shí)現(xiàn)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H.263標(biāo)準(zhǔn)，但轉(zhuǎn)向H.264將是大勢所趨。由于H.264標(biāo)準(zhǔn)具有更高的復(fù)雜性，故H.263專用器件將不能支持新的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
軟件設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
　　
可擴(kuò)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(yīng)擁有各種屏幕尺寸、位于不同方向上的各種分辨率攝像機(jī)，以及要求用各種編解碼器來輸出不同圖像質(zhì)量的設(shè)備(見圖2)。
　　
關(guān)于創(chuàng)作值得購買的內(nèi)容所提出的挑戰(zhàn)超出了本文討論的范圍，然而OEM們正面臨內(nèi)容提供的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因?yàn)閮?nèi)容提供商會要求嚴(yán)格控制其知識產(chǎn)權(quán)。他們不僅要求各種數(shù)字版權(quán)管理機(jī)制、某些機(jī)密及專有權(quán)，同時(shí)還要求確保高質(zhì)量的回放。