介紹

　　進入數字信息時代，電子產品全面數字化的結果帶來了形形色色數字信息產品的繁榮，其中數字語音和數字影像發揮著越來越大的，數字音頻和數字視頻的普及也越來越廣。隨著各種帶寬接入和3G無線網絡的興起和不斷完善，數字無線手機不僅提供語音通信功能，而且正在向手持智能終端、多媒體設備類型產品轉變。現在，能夠拍照并立即將照片通過因特網傳輸的手持終端已經很常見，而具備語音識別特性的智能電話變得越來越流行。可以預見，不久的將來，可實現全動態視頻 流、JAVA、游戲、藍牙以及其它更多技術的產品將不斷為人們所熟識。

　　在市場和技術的驅動下，眾多的IT設備廠商在全力以赴地緊跟著這一潮流，而他們對于產品始終不懈的追求，又無外乎如何盡可能地提高產品的性能和功能，同時又如何盡可能地延長的電池壽命。因為只有這樣才能限度地滿足消費者的需求，才有機會贏取更大的市場份額。這種對產品的追求反映到硬件平臺中，就是對核心處理器件的性能和功耗的追求。

　　然而，在實際中性能和功耗常常相互矛盾，那么在顯著提高功能的同時是否還能顯著減少功耗就成為一大問題。核心處理器一方面不能耗盡電池功率，一方面還必須處理高強度的數學運算，如噪聲與回波抵消、音頻和視頻編碼解碼、壓縮和解壓縮，所有這些都必須實時完成。同時，還必須管理內置于無線設備中的視頻顯示，響應人機界面 (MMI)，并處理其他常規任務。設計人員所面臨的挑戰則在于找到一個處理器或處理器組合，能夠使用盡可能少的指令周期，也就是說以的功率，來完成所有任務，這就意味著必須盡可能高效地處理大量信息。

　　三種方式

　　適合于數字信息產品的核心處理平臺是數字信號處理器 (DSP)，以及精減指令集（RISC）微處理器。DSP是由德州儀器公司 (TI) 于20世紀80年代末開發并投入商用，此后便一再被證實適合處理諸如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺以及味覺等人類感官刺激的數字化表示方法。相對于任何其它類型的處理器而言，DSP為具有重復性、高強度數學運算而進行了精心優化，能夠以更快的速度、更少的指令周期執行諸如語音壓縮與解壓縮等任務。

　　不過就視頻交互與MMI等命令控制功能而言DSP還不夠理想的，這些基本的數據處理操作并不需要實時進行，其所涉及的任務交換和高中斷活動需進行的數學運算強度不大、重復性也不高，而RISC微處理器則可以勝任這樣的應用。

　　為滿足數字無線手持終端的不同處理要求，直接的處理方式選擇也許就是采用RISC處理器與DSP處理器的組合。但同時采用兩個獨立處理器的劣勢也同樣很明顯。采用兩個獨立處理器會進一步惡化包括諸如功耗、板級空間、外設連接、協議以及編程等在內的系統問題。

　　因此，一些芯片技術提供商嘗試在具備 DSP 指令集擴展的普通 RISC 處理器上，例如ARM9 上運行無線多媒體應用。盡管這些處理器能夠處理一般的多媒體任務，但并不一定能夠得到的處理效果，所以還不是有效的方法。

　　將DSP與傳統處理集成到同一RISC 器件會降低靈活性，并導致實時信號處理任務與高中斷數據處理任務之間的內在沖突。同時面臨幾個任務時，該器件會向時間緊迫的多媒體處理賦予優先級。如果 MMI 輸入要求任務切換的話，那么就會出現等待時間問題。單個處理器必須執行環境保存及恢復，以便安排 MMI任務運行，同時還要確保不錯過任何實時要求，常常導致MMI輸入響應慢而無法接受。

　　另外，向基本的 RISC 添加類似 DSP 的擴展雖然可以改善總體性能，且帶有擴展的基于 RISC 的處理器能夠迅速處理大量的乘法及加法運算，但是，難以為循環緩沖、位反轉、并行移動以及硬件回路等提供面向 DSP 尋址等缺陷對代碼優化來說可能成為嚴重的弱點。

　　上述兩種只采用RISC的方式對功率的需求均很大。這主要表現在RISC 處理器在架構上沒有為信號處理進行優化，因此需要更多的指令周期才能執行高強度數學運算的多媒體算法。平均而言，RISC需要三倍于 DSP 的指令周期才可執行相同的計算。當然，更多的指令周期意味著更大的功耗以及更短的電池壽命。此外，基于RISC 的解決方案可能對未來擴展預留的空間比較有限。

　　于是，一種建立在雙處理器設計基礎之上的新架構就應運而生。為有效消除前兩種方式的弱點，RISC 處理器和強大的 DSP核心 被集成到在同一芯片器件上，從而同時實現二者的優勢。TI 在其 OMAP™ 系列處理器便是這種方式的代表。當前OMAP1510、OMAP5910系列以及TI 新型的OMAP161x 系列都屬于這樣的雙核應用處理器，其中包括TI 功耗的定點 DSP TMS320C55x™，以及 TI 增強型 ARM™ 微處理器。根據設計要求，上述雙核器件能夠在 289 引腳芯片中高效處理多媒體以及MMI任務，這289 引腳芯片不僅可以節約板級空間，而且還可減小功耗及成本。ARM核心運行操作系統，而DSP處理多媒體應用（請參見附圖）。

　　應用優勢

　　許多技術上的可行性在實際的應用中不可避免地要遇到這樣或那樣的難題，RISC 處理器在無線通信中的應用也是如此。盡管當前產品在開始利用 3G 無線多媒體通信設備的潛力，但許多相關產品都幾乎已經達到傳統處理性能的極限。因此，一些現有無線通信設備在典型的終用戶環境中并未能充分發揮其優勢。例如，某些設備具備語音識別功能，但如果周圍環境不是完全安靜，就不能夠正常工作。

　　上述問題的原因在于某些器件設計人員試圖在 RISC 處理器上實施回波抵消以及噪聲抑制等算法。噪聲及回波抵消在一定的程度上是可行的，但實施結果并不十分強大可靠。假如在RISC上進行更強大可靠的實施將會極大縮短電池壽命。面對這些復雜問題，一些OEM廠商寧愿放棄了豐富而強大可靠的實施，這是因為一方面 RISC 不能提供足夠的性能，另一方面雖然達到了期望性能，但其功耗水平簡直讓人無法接受。

　　而將 RISC 處理器與 DSP 高效結合在一個器件中，則可以在提供高質量語音識別所需的強大可靠的處理功能的同時，還可以顯著延長電池的使用壽命。而且，集成的雙處理器還可解決MPEG4 視頻等應用帶來的問題。相比之下，單純的RISC 處理器就不能在不消耗大量電池電量的情況下提供上述應用所需的信號處理功率。此外，用戶在進行如改變音量的操作請求時，要求RISC引擎進行切換以便為請求提供服務，這樣常常會影響實時任務，導致失幀以及服務質量 (QoS) 下降。另一方面，可編程 DSP 允許開發人員能夠實施任何可用的標準，而有效避免不可接受的電池電量消耗；且能夠通過ARM的處理滿足用戶請求，而不影響運行于 DSP 上的實時算法的服務質量。

　　并行采用 RISC 處理器及DSP同時也解決了上述等待時間問題，避免了 RISC 為處理一個應用而暫停另一個應用的麻煩。在雙處理器環境中，DSP 可以在處理正在運行應用的同時，讓RISC處理同一時鐘周期的其它應用，這樣的協同工作充分保證了系統的可靠性。

　　由于 TI 在 OMAP 系列處理器中實施了集成的雙核處理方式，因此雙核器件可幫助系統與無線設備，甚至不是僅是與電話相關的應用進行集成。一系列豐富的片上外設能夠實現與常用設備如USB、UART、藍牙、GSM模塊等進行幾近無縫的連接。

　　軟件解決方案

　　對于開發人員而言，為雙處理器環境編寫應用或許是一種挑戰。為便于開發人員的編程進程，TI采用 DSP 橋接器以及多媒體引擎網關，可以有效減輕程序開發的負擔。通過位于兩個核心上的軟件層，DSP 橋接器提供了ARM與DSP之間的鏈接，而無需涉及太多的細節，DSP 橋接器基本上能夠導出一系列 API 到運行于 ARM 上的多媒體引擎，以便訪問 DSP 資源。多媒體引擎將一系列開發人員熟悉的標準API依次導出到應用。在此基礎上，應用開發人員在開始多媒體任務時需要做的不過是執行熟悉的函數調用而已，例如調用 "PlayMp3(song.mp3)"，便可以開始播放MP3歌曲。

　　在 DSP 軟件開發方面，DSP 橋接器即管理 DSP 資源及數據流，又提供到 DSP 算法的接口。這些算法可以定制，也可以是來自第三方的"現成"算法。為推動第三方算法的實施，TI 首先推出了開發標準"快速 DSP 算法接口標準"（簡稱 xDAIS）。這一廣泛采用的開放標準確保了符合標準的算法將遵循統一的規則組，并與系統無縫集成。

　　總結

　　以新型無線多媒體設備應用為代表的數字信息產品，包括 MPEG4、文本到語音轉換、統一消息發送、因特網音頻、視頻會議、視頻流等，都要求性能和功能更強大而耗電量更少的處理器。將RISC處理器和DSP獨特功能集成到單一器件上的雙核處理器能夠地滿足上述要求，而這種單一器件還能夠提供各種的豐富外設。其軟件開發可使在雙核器件上實施與單獨使用 RISC 處理器同樣簡單。DSP的開放式軟件標準為其第三方開發鋪平了道路，并終有效加速產品推出和上市進程。