一種多媒體功能豐富的SoC芯片技術(shù)與應(yīng)用

目前，便攜式設(shè)備中的應(yīng)用正日益豐富。隨著拍照、音樂、電影、可視電話、移動電視、3D游戲、定位服務(wù)、Web瀏覽、Email、即時通信、電子支付等各種應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，推動著便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力以超“摩爾定律”的速度增長。在高端的便攜式設(shè)備中(比如智能手機(jī)、硬盤式PMP等)，一般會有一顆應(yīng)用處理器。這些處理器為日新月異的應(yīng)用提供運行平臺和強(qiáng)大動力，并為設(shè)備廠商提供至關(guān)重要的產(chǎn)品差異化。據(jù)權(quán)威市場調(diào)查機(jī)構(gòu)分析，2005年至2009年，應(yīng)用處理器的復(fù)合年均增長率(CAGR)高達(dá)48%；到2009年，中國應(yīng)用處理器的銷售額將達(dá)到36億美元。

上海杰得微電子有限公司的Z228芯片正是一款典型的應(yīng)用處理器，它采用 ，核心電壓為1.2V，I/O電壓為2.5/3.3V，而封裝為441-TFBGA。從圖1可以看出，Z228芯片外觀比人民幣5角硬幣還要略小一些。

圖1：Z228芯片實物圖。/I>

你可以想象Z228就是一塊超小的筆記本電腦主板(不帶DRAM和硬盤等)，加上顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)、網(wǎng)口和其它外設(shè)，它就變成了一臺袖珍筆記本電腦。這正體現(xiàn)了系統(tǒng)級芯片(SoC)的概念。事實上，Z228正是一款高集成度的SoC芯片，兼具硬件的高性能、低成本和軟件的靈活性。其模塊框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，該芯片軟件的靈活性主要由ARM926EJ內(nèi)核體現(xiàn)。目前幾乎所有的應(yīng)用處理器都采用ARM內(nèi)核，從某種意義講，ARM在便攜式終端領(lǐng)域可被認(rèn)為是事實上的標(biāo)準(zhǔn)，在互聯(lián)網(wǎng)上可以下載到很多兼容ARM指令集的軟件。芯片中硬件的高性能、低成本主要由MPEG-4引擎和圖像處理引擎來體現(xiàn)。視頻編解碼運算和圖像處理采用全硬件實現(xiàn)，從而使ARM內(nèi)核的負(fù)擔(dān)大大減輕，終端的電池續(xù)航時間得以顯著延長。采用硬件方案的另一好處是無需自主開發(fā)或從第三方購買多媒體編解碼軟件，從而縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

以下將介紹Z228芯片的技術(shù)特點及其應(yīng)用。

1. ARM926EJ內(nèi)核

Z228采用了ARM9系列中最高端的ARM926EJ處理器內(nèi)核，在0.13um工藝下內(nèi)核主頻可達(dá)300MHz。它專為多任務(wù)的移動應(yīng)用軟件而設(shè)計，兼顧高性能和低功耗的要求。在該內(nèi)核的支持下，Z228能流暢地運行音頻、視頻、圖像、2D圖形、Java 3D游戲等多媒體應(yīng)用軟件。

圖2：Z228芯片功能方框圖。

Z228中的ARM926EJ內(nèi)核包含16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，具有TCM接口。內(nèi)存管理單元(MMU)支持WinCE、Linux等嵌入式OS。Z228采用矩陣式的AMBA總線(MAB)，為高吞吐量的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供充足的帶寬。ARM926EJ采用ARMv5TEJ指令集，后向兼容ARMv4指令集，并支持流行的ARM開發(fā)調(diào)試體系，能最大程度地保護(hù)終端設(shè)備廠商的軟件投資。

Z228支持ARM的JazelleTM加速技術(shù)，可大大提高Java程序的運行速度，并保持極低的功耗。MOVE協(xié)處理器通過實現(xiàn)SAD引擎，使得視頻編碼的效率提高50%以上。

2. MPEG-4編解碼引擎

Z228內(nèi)置MPEG-4/H.263的全硬件編解碼引擎，在進(jìn)行VGA@30fps的全雙工編解碼時，ARM926EJ的負(fù)荷極低(小于5%)，可流暢運行操作系統(tǒng)和其它應(yīng)用程序。與市面上主流的僅支持CIF尺寸的芯片相比，Z228的視頻性能更具優(yōu)勢。在進(jìn)行碼率高達(dá)8Mbps的實時解碼時，畫面沒有停頓感。另外，高質(zhì)量VGA錄像與CIF相比，在PC上回放時具有更大的圖像畫面，輸出到電視的效果也更出色。

其全硬件實現(xiàn)的特點使得軟件干預(yù)極少，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。該引擎采用獲得專利的運動估計技術(shù)，非常省電，在VGA@30fps全雙工編解碼時，功耗低于120mW。

圖3：無防錯的解碼圖像。圖4：Z228的解碼圖像。

為了在低碼率傳輸條件下提供優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，該引擎具有視頻防錯的功能，包括條帶重同步(Slice resynchronization)、數(shù)據(jù)分割(Data partition)、可逆變長編碼(RVLC)和頭擴(kuò)展碼(HEC)等，顯著地改善了無線環(huán)境下視頻傳輸?shù)聂敯粜?。對比圖3和圖4，即可顯示Z228的防錯技術(shù)在改善畫質(zhì)方面的優(yōu)越性能。

Z228還內(nèi)置高性能的全硬件視頻后處理引擎，支持色度空間轉(zhuǎn)換、任意尺度圖像縮放、去塊/去環(huán)濾波、亮度/對比度/飽和度校正、抖動(Dithering)、圖像掩模、畫中畫等功能。解碼后的視頻圖像經(jīng)該引擎處理后直接上屏，無須CPU干預(yù)，在不增加功耗的前提下，實現(xiàn)視頻的流暢播放。

3. 視頻接口加速引擎

Z228內(nèi)置視頻接口加速引擎，采用了杰得專利的可配置圖像處理管道技術(shù)，包含EBBI插值還原、AWBA白平衡調(diào)節(jié)、IBCSA圖像校正、Gamma色彩校正、HPFS數(shù)字變焦、ADNR去噪、DES邊緣增強(qiáng)等模塊。該加速引擎通過CMOS/CCD圖像傳感器接口電路，可與市場上主流的CMOS/CCD傳感器模組連接，支持RAW、RGB、YUV等多種輸入格式。Z228集成了高質(zhì)量的JPEG編解碼模塊，可勝任高達(dá)1,600萬像素的靜態(tài)圖片的拍攝。電子取景和屏上菜單功能也由硬件完成。

圖5：Z228芯片的軟件架構(gòu)。

此外，該加速引擎還具備CCIR656/601輸入輸出接口，方便與電視接口相連，提供電視錄制和電視輸出等頗受歡迎的娛樂性應(yīng)用。

4. 外設(shè)接口

作為一款高集成度的SoC芯片，Z228內(nèi)置了多種硬件接口，不僅能給系統(tǒng)開發(fā)者帶來諸多方便，而且能有效降低產(chǎn)品的成本和減小產(chǎn)品的體積。

Z228支持雙屏顯示：高達(dá)SVGA(800x600)分辨率的24位真彩的主液晶屏，另帶一個智能LCD模塊，作為副屏與主屏同時工作。Z228支持觸摸屏，便于開發(fā)PDA、學(xué)習(xí)機(jī)和高端智能手機(jī)。

Z228內(nèi)置了USB OTG接口，使得產(chǎn)品不僅能便捷地與PC主機(jī)及其周邊設(shè)備進(jìn)行通訊，而且能方便地連接USB存儲設(shè)備、USB打印機(jī)或其它支持USB協(xié)議的移動設(shè)備。

圖6 ：用于Z228芯片的開發(fā)板。

針對移動設(shè)備對大容量存儲卡的要求，Z228集成了SD/CF/PCMCIA接口，支持高達(dá)4GB容量的擴(kuò)展。

Z228還內(nèi)置了其它外設(shè)接口，使之可與2G/2.5G/3G基帶芯片、藍(lán)牙控制器、以太網(wǎng)芯片、模擬音頻編解碼器、電視編碼器、紅外收發(fā)器、微硬盤等各種設(shè)備互聯(lián)，開發(fā)出具有差異化的產(chǎn)品。

5. 嵌入式軟件

在SoC研發(fā)中，嵌入式軟件占有非常重要的地位。它體現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，并充當(dāng)用戶和硬件之間的橋梁，是決定產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。Z228的嵌入式軟件采用了可分層的彈性架構(gòu)，如圖5所示。

硬件抽象層包括板級支持包(BSP)、驅(qū)動程序和診斷調(diào)試工具。BSP由啟動代碼(Bootloader)和硬件配置文件組成，提供系統(tǒng)啟動時的軟件環(huán)境。硬件抽象層在邏輯上把軟硬件模塊的耦合度降到最低，便于加快軟硬件協(xié)同驗證，縮短開發(fā)周期。OS層提供對主流的嵌入式操作系統(tǒng)的支持，比如WinCE5.0、Linux2.6.15。協(xié)議層主要包含必要的中間件，如SIP、RTP、RTSP、多媒體庫等。由協(xié)議層抽象出若干API，供應(yīng)用層調(diào)用。

從硬件抽象層到應(yīng)用層構(gòu)成了Z228的軟件開發(fā)包。它遵循模塊化的設(shè)計原則，在結(jié)構(gòu)上具有可擴(kuò)展性和靈活性。針對不同的設(shè)備和應(yīng)用，開發(fā)人員可進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，以成本和性能之間取得平衡。

6. 應(yīng)用舉例

基于Z228芯片，杰得提供接口豐富的系統(tǒng)板和開發(fā)包，如圖6所示。以此為基礎(chǔ)，研發(fā)人員能夠快速地開發(fā)出功能各異的產(chǎn)品。

智能手機(jī)?；赯228芯片，只需使用較少的器件，研發(fā)人員就能較快地開發(fā)出功能強(qiáng)大的多媒體智能手機(jī)。Z228可以通過UART或68K接口與基帶芯片通信。Z228支持主流的嵌入式操作系統(tǒng)，支持高質(zhì)量的音視頻通訊，具有數(shù)碼相機(jī)/視頻攝像功能和PDA功能，并具有軟件擴(kuò)展能力。Z228實現(xiàn)了高效的電源管理，提供多種工作模式，能有效延長智能手機(jī)的電池壽命。

PMP/MP4。Z228強(qiáng)大的多媒體性能和豐富的外設(shè)接口是高端融合型PMP的必備特點。基于Z228的PMP可外接硬盤、存儲卡、攝像頭模組、FM模組、藍(lán)牙模組、802.11模組，集拍照、攝像、音樂、FM收音、錄音、電視錄制和輸出、無線傳輸、數(shù)碼伴侶等諸多功能于一身。內(nèi)置的ARM926EJ處理器還可運行嵌入式操作系統(tǒng)，支持Java游戲、Flash插件、即時通信軟件、電子圖書等，充分體現(xiàn)PMP產(chǎn)品的差異化。

視頻監(jiān)控。Z228是構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的理想選擇。其內(nèi)置的ARM9處理器和硬件視頻編解碼器有利于研制更加靈活和廉價的分布式終端設(shè)備和基于IP的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，符合視頻監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展的趨勢。Z228的先進(jìn)的視頻壓縮算法，能在較低帶寬下(小于700kbps)下提供良好的畫質(zhì)(大于30dB)；在低延遲模式下，端到端延遲(不計傳輸延遲)小于60ms；ARM9處理器的存在使得音視頻同步的實現(xiàn)更為方便。

可視電話。Z228可用于設(shè)計低成本的可視電話和視頻會議系統(tǒng)。使用Z228，并配合彩色圖像傳感器模塊和LCD顯示模塊，產(chǎn)品可傳送雙向的MPEG-4視頻信號。VGA尺寸的畫面，再加上低延遲模式和防錯技術(shù)，可顯著改善用戶體驗。ARM926EJ處理器可運行SIP協(xié)議棧，并對視頻流的碼率進(jìn)行即時動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的信道帶寬。

供稿：上海杰得微電子有限公司