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应用处理器

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应用处理器  应用处理器的全名叫最多媒体应用处理器(Multimedia Application Processor), 简称 MAP。它是在低功耗 CPU 的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路。MAP是伴随着智能手机而产生的,普通手机只有通话和短信收发功能,称为语音压缩无线收发机更确切一些。

  MAP 首先要求低功耗,这是因为 MAP用在便携式设备上,通常用电池供电,节能显得格外重要,使用者给电池充满电后希望使用尽可能长的时间。谁也不高兴天天给手机充电,充电毕竟是既浪费时间又麻烦的事。通常 MAP 的核心电压 0.9~1.2V,接口电压 2.5v 或3.3v,待机功耗小于 3 毫瓦,全速工作时 100~300 毫瓦。相比之下,65 纳米工艺的低功耗计算机CPU 速龙 Athlon 64 X2 4000+ 的待机功耗是 61 瓦,全速工作时是 87 瓦。应用处理器和汽车发动机一样,工作是需要能量的,低功耗给 MAP 带来的直接影响就是时钟速度降低,处理能力低下。人人都有这种感觉:在手机上玩游戏慢得象蜗牛,屏幕菜单在阳光下看不清楚,这些缺陷就是低功耗造成的结果。低功耗也给电源管理带来了挑战,芯片内必须设有复杂而有效的电源管理电路,时刻检测各个功能模块使用状态,把暂时没有使用的功能关闭,以节约每一微安电流。实现低功耗还必须不断开发新的节能技术,例如新的 CMOS 工艺每一千个门只耗电几十微安;Class D 放大器可以使电池寿命延长 2.3 倍。

  MAP 还要求体积微小,因为主要应用在手持式设备中,每一毫米空间都很宝贵。MAP 通常采用小型 BGA 封装,管脚数有 300~1000 个,锡球直径 0.3~0.6 毫米,间距 0.45~0.75毫米。由于锡球之间间距很小,引线只能经由垂直盲孔引出,印刷电路板就需要 8~14 层才能引出所有的连线。为了缩小体积,外围器件通常用 0402和 0201 的封装器件,高密度组装给 PCB 设计、散热和消除电磁干扰带来很大的困难,整机性能也不如台式设备好。图 1 是MAP 和 PC cpu 的大小比较图片。

  MAP 还要具备尽可能高的性能,因为人类具有追求尽善尽美的天性。目前较前卫的智能手机已经具备了 DAB、蓝牙耳机、数字电视接收、无线宽带(Wi-Fi)网络浏览、GPS导航、3D 游戏等功能,新的功能仍在积极开发中。PMP 多达十几种音视频格式,UMPC 直追笔记本电脑的性能。这就对 MAP 的速度和功能提出了更高的要求,现在微电子和 IT 领域的最新技术统统用到了 MAP 中来,例如用 90 和45 纳米工艺提高速度和集成度,用前后台工作的双核和多核 CUP 和 DSP 提升性能等。

  在过去的二十年里,CPU 以高速处理,丰富的软件,快捷的网络创造了超过 3 亿台 PC机的辉煌成就。基带处理器+MAP 的手机以携带方便,可随时随地通信创造了另一个 3 亿台的灿烂的业绩,这一切都归功于 MAP把电子设备从桌面上搬到了口袋里,从大家共享变成个人拥有。今后它仍继续扮演着便携式设备的大脑和心脏的角色,给人们的学习、工作和生活带来方便,使人类的明天更美好。

  MAP 与 PC CPU 的最大区别是 MAP 是一个片上系统(SoC),必须把 CPU、多媒体处理器和外设接口集成到芯片内部。而 PC CPU 只是计算机中的中央处理器,通过外部的南桥和北桥扩展外设。因而,MAP 的接口电路比 PC CPU 更齐全,基本接口如下:

  1)计算机接口USB 接口:用来连接 PC,也可接 U盘和带 USB 接口的外设如打印机等。

  PCI 接口:可通 PCI 桥或 PCI-E 和 PC通信。

  RS-232: 连接 PC 可作为检查和诊断接口,用于开发初期与 PC 通信和裸机启动。

  JTAG: 这是 PC 与 MAP 之间的调试接口2) 视频接口Camera 接口:可以直接 CMOS/CCD 图像模组,接收 R.G.B Bayer、R.G.B、Y.Cb.Cr、SCCB 格式的视频信号。

  ITU-R 656 接口:一个 MAP 应该有两个 ITU-R 656 接口, 一个接收电视信号,但这是一个双向接口,另一个输出电视信号。

  LCD 接口:这是一个高速的液晶显示接口,输出 24 比特视频数据,最好能支持 1024×768每秒 30 帧活动图像显示,可支持主流厂商的 LCD 屏。这个接口最好可编程,在便携式设备中只需要 CIF 尺寸的图像时,这个接口可拆分成多屏格式。

  TS 接口:这是一个可接收数字电视的传输流的接口HDMI3)音频接口AC97 接口:这是 Intel 制定的多媒体声卡规范,全名是 Audio CODEC 97。可见它是一个音频编解码器标准,最高支持 20比特编码和 48KHz 采样率,支持 S/PDIF 数字接口。AC97在 PC上已经被 HD Audio 替代,在 MAP 上仍在使用。

  2I S接口: 全名是Inter-IC Sound Bus,是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准,它是一个3线标准,数据格式比较灵活,支持8~24比特,8~192KHz,高达 2048 倍过采样频率。音质比AC97 更好。

  4)数据接口GPIO接口:通用输入输出可编程接口,可接矩阵键盘,数字采样和控制信号。

  UART 接口:可配置成鼠标,红外通信,语音基带和 GPS 等专用接口。

  5)网路接口LOCAL bus:这是嵌入式 CPU 按某一标准虚拟的局部总线,独立于 CPU 的结构,在 MAP和外围之间形成一个中间缓冲器,从而于 CPU的时钟频率无关,用户可以通过它把一些外设挂在 CPU上。例如 Z228 上的 MC68000 总线,可以支持 68k 接口的以太网芯片。

  PCI bus:这是 1993 年 INTEL为 PC制定的标准,目前该总线可分为 PCI 1.0和 PCI 2.0。

  PCI 1.0为 32位总线,时钟频率 33MHz,总线最大传输率为 132MB/S,而PCI 2.0为 64位总线,时钟频率 66MHz,最大传输率 264MB/S,目前最新版本为 PCI 2.1。PCI 能支持10种外设,能支持线性突发的数据传送模式,以确保总线更有效地利用频带宽,不断地满载数据进行传送,减少无谓的寻址操作。具有 PCI 接口的网路外设芯片种类繁多,价格低廉,比 LOCAL bus 更通用。X900 集成了 PCI 总线。

  SPI bus: (Serial Peripheral Interface)接口最早是Motorola用在MC68HCXX系列处理器上,2这是一个 3线串行双工总线,数据传输速度比I C快,可达到几Mbps。许多用于外围的接口2芯片都具有SPI,如数字传感器、多路模数转换器、E PROM、RTC、调制解调器、Wi-Fi模块等。

  6)储存器接口储存器接口分系统储存和外部储存两部分,系统储存器由闪存和 DDR 组成,闪存又分 NANDFlash 和NOR Flash,前者用于储存用户数据和操作系统的映像文件,如音视频文件和 WinCE,容量没有上限。后者用于运行 bootloader 和保存操作系统。DDR 为系统和应用程序提供空间,MAP 中CPU 和显示共用 DDR, 为了不影响速度,应该设计支持较高频率的 DDRⅡ,如 533MHz 或 667MHz,位宽 64 位或 128 位,支持较大的寻址空间,如 4~100GHz。 外部储存器接口应支持传统的半导体和磁介质储存器,例如SD 控制器和CF/PCMCIA 控制器。

  通过SD接口,可支持SD/Mini SD卡,读写速度分别是8MB/s和6MB/s;最好能支持CF/PCMCIA控制器,也可以把把它配置成 True IDE 模式,可外接 1 英寸 IDE 微硬盘。

  7)控制接口LOCAL bus 、PCI bus 、SPI bus都可以用来作控制接口,但用MAP设计系统时最有用的2时I C,通过它可以设置外围芯片的寄存器,使MAP于外围电路协同工作。多余的GPIO也可2用于开关控制或用软件配置成I C使用。

  MAP 的外围电路包括系统和外部储存器,接收模拟电视音视频编解码,平板显示器件,人机接口和电源,图是 X900 的外围电路。厂商通常把 MAP 和外围电路设计成演示板形式提供给用户的,用户可以从演示板上剪裁和增添功能,设计出具有自己特色的产品。

  应用处理器 的主要应用领域是便携式消费类电子,早期的 应用处理器 以微缩版个儿电脑的形式出现在市场上,这就是俗称商务通的个人数字助理(PDA)。PDA 需要有一双大手才能握住,操作比个人电脑复杂,功能远不如一台低端电脑,因而没有流行多久就衰落了。后来 PDA 与手机功能相结合,并整合了信息管理、摄影、游戏、MP3 等功能后开始火爆起来,现在每年 90%的应用处理器 都是用来装配智能手机。应用处理器 自身的功耗和体积不断在缩小,功能也日益强大,现在的手机都能装在上衣口袋里,手机使便携这一称呼变得名副其实。

  上海杰得从 2003 年成立以来一直立足于高端应用处理器的开发研究,现在已经有 Z228和 X900 两代产品问世。杰得在应用处理器的开发和应用中认识到个人信息处理的重要性和广泛的用途,提出了便携式信息终端 HIT (Handheld information Terminal)的概念。HIT的目标使人们能自由的选择资讯、享受娱乐,它强调的是商务+娱乐,实现的功能包括 GDP——游戏(Gaming)、数据(Data)和播放(Player)。当 应用处理器 的速度超过 1GHz 以后,数据处理能力就相当于奔腾 4 个人电脑,UMPC 的全部功能就可移置到智能手机中。这种手机就真正成为一个 HIT/GDP,无线 Wi-Fi和以太网将使 PC 上的即时聊天功能(QQ\MSN\SKYPE)、网络浏览和网络游戏象打电话一样随时随地可以进行。

  高端的 应用处理器 只要具备大于 VGA(640×480)或 D1(720×576)尺寸的图像处理能力,就可以用于桌面电子系统,如数字电视机、IPTV 机顶盒、可视电话、电子像框等设备。如果采用工业标准的工艺生产和封装,还可以用于智能监控,汽车电子,医疗仪器等领域。

  应用处理器 是伴随智能手机而发展起来的,目前是以协处理器的地位出现在智能手机中,但这种情况很快就会发生变化。就象上世纪九十年代中期,386整合 286 和协处理器一样,基带处理器会整合到 应用处理器 中,或者说把 应用处理器 整合到基带处理器中去。因为这两种 IC 都是数字电路,电路的规模和工艺相近。为什么现在没有整合?是因为两种技术分别掌握在不同的公司手里,应用处理器 厂商开始设计芯片结构时就想把基带 IP 内置于自己的芯片中,但苦于一时买不到合适的 IP,或者在时间和风险上存在问题。我想基带厂商也有同样的想法。于是这种整合放到了下一步。现在虽然已有基带 应用处理器 面世,这是语音基带厂商设计的,多媒体功能比较弱,无力与主流 应用处理器 抗衡。

  接下来的发展是混合设计,现在 应用处理器 需要与模拟和混合 IC 配合才能构成系统,这些外围包括视频编解码器、音频 ADC/DAC、功率放大器、以太网接口、HDMI 接口、蓝牙模块、Wi-Fi模块、GPS 模块、FM 模块、电源管理等。未来的 应用处理器 除了外接DDR 和FLASH外,没有其他外围 IC,是一个名副其实的 SoC。

  随着便携式电子产品的功能越来越多和和软件的规模越来越大,应用处理器 必须在不增加功耗的前提下大幅度增加处理能力和速度才能适应要求。目前最强大的嵌入式 CPU 是 32 位的ARM11,时钟速度是 750MHz,与 64 位 4GHz 的至强处理器相比差距甚远。但提高时钟频率后,功耗会急剧上升,需要高效和智能的电源管理技术和更微细的小于 45 纳米的低功耗工艺来寻找出路。

  多核结构也是一条增强功能的出路。未来的 应用处理器 用 ASIC 还是 DSP 还会继续争论下去,比较好的结构是用 CPU+DSP,在 CPU 上安装嵌入式操作系统,运行应用程序和处理用户数据,用 DSP 对付格式繁杂的视音频信号。



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