便携式多媒体设备的功率管理

便携式设备的多媒体功能近年得到快速发展，性能也不断提升，但随之而来的功耗问题对设计工程师带来极大的挑战。本文作者从系统架构、存储器、射频传输等层面详细探讨了降低便携式多媒体设备功耗的方法和思路。
　　
支持高质量的多媒体功能是当今2.5及3G通信设备所必备的一项重要技术。运营商需要提高每用户平均消费，而使用户消费更多的音视频及数据服务则是运营商目前用来增加用户平均消费的一种途径。关键应用包括视频会议、音视频新闻剪辑、手机交互游戏等，然而用户已开始期望获得类似于其起居室的影音设备上高质量的多媒体体验。多媒体功能并非仅仅是遵循几项业界标准，其质量还必须值得用户消费。要满足这样质量需要有各种多媒体功能，而这些功能又会增加功耗，这对于采用有限容量电池供电的便携式设备来说具有一定挑战。
　　
传统上，智能电话等联网便携式设备的电池工作时间是信号传输时间的函数，因为射频是便携式设备中产生功耗最多的部分。但随着2.5G及3G手机能实现新的数据及多媒体应用，人们很快发现多媒体数据操作将产生比无线传输更多的功耗。
　　
为理解这一点，让我们来看一下置于一个系统上的两路视频会议通信消耗功率的功能部分：摄像机(1)必须捕捉(2)用户图像并采用H.264等计算密集型算法将其编码(3)，同时将输入图像译码(4)并输出给显示器(5)，并通过扬声器或耳机播放话音(6)。此外，这些操作所需的密集处理比简单的语音处理所需的处理密度高一到两个数量级。但如果由于电池的问题你只能有20分钟的通话时间，这样的视频会议服务有谁会去使用呢？电池寿命作为便携式设计考虑中的重要因素在此时变得比以往更为关键。

从系统架构考虑低功耗设计
　　
完全加电的单芯片架构可以通过动态调整电压及工作频率来管理功耗，降低工作频率可以使器件工作于较低电源电压上，意味着器件将消耗更低的功率。由于器件自己并不能知道在某一特定时刻将运行何种负载，因此开发商可以通过模型来仿真系统，并通过软件机制来管理功率，。
　　
单芯片架构的一个缺点是处理器必须能满足系统最大负载情况的处理。由于用户只是偶尔调用全部系统资源，这意味着处理器的各部分都在消耗功率，而处理器的所有功能很少被同时全部使用。例如，密码加速器引擎即使没有数据加密也在消耗功率。许多便携式应用的处理器，例如意法半导体的Nomadik应用处理器等，都能通过让你关掉器件目前不用的部分来降低功耗。对于拥有多个加速引擎的设备，例如那些必须采用多媒体处理器的设备等，这将有效地提高效率。关掉器件的部分组成电路比管理频率及电压更加容易，但你会发现很难掌握实际功耗，因为你必须进行精细的控制。当然，采用低功耗外设也能有效降低功耗。例如，你可以通过选用功耗较低的照相机来节省功率。
　　 
像这样在系统层面上成功地管理功率，要求在你的设计中拥有良好的连通性及接口灵活性。如果你不得不通过增加额外的芯片来使用功耗较低的显示器或扬声器，则这些额外的芯片已经消耗掉了一部分你可能节省的功率。集成在你核心设计中的接口可创造一种能使你方便地增加或去除外围器件的中心架构(见图1)，这种灵活性同时也让你能用同样的基本架构来设计出系列产品线。例如，你可以根据不同应用来分别采用LCD单显、高分辨率彩显或触摸屏等。从理论上讲，你只须改变内部驱动程序就可实现你的不同设计选项。
　　
灵活性也能扩展至架构中的处理单元。多媒体标准经常变化，而且应用本身也在以一种难以预期的方式发展，支持可编程对于保持与未来标准、以及采用该标准的内容的兼容性非常重要，但必须以硬件加速来实现高质量播放。例如以专用芯片来实现MPEG4可在一定程度上减少系统成本，但必须以牺牲系统可升级性及增加设备尺寸与功耗为代价。

而使用外围器件则可用中心架构来保留最大的灵活性及处理能力，在这种架构内，多媒体处理既不是用硬件来实现也不是用纯软件使处理速度减慢，而是由各种编解码器的加速引擎支持。例如，目前的视频会议方案采用H.263标准，但转向H.264将是大势所趋。由于H.264标准具有更高的复杂性，故H.263专用器件将不能支持新的标准。
　　
软件设计面临的挑战
　　
可扩展性不能仅仅是增加器件成本。软件是电话制造投资中最大的一块。软件必须能适应拥有各种屏幕尺寸、位于不同方向上的各种分辨率摄像机，以及要求用各种编解码器来输出不同图像质量的设备(见图2)。
　　
关于创作值得购买的内容所提出的挑战超出了本文讨论的范围，然而OEM们正面临内容提供的更严峻挑战，因为内容提供商会要求严格控制其知识产权。他们不仅要求各种数字版权管理机制、某些机密及专有权，同时还要求确保高质量的回放。 [page]
　　
支持由内容提供商提供的安全应用，要求有不易被攻破的内部加密子系统及开放式软件平台。任何要求应用程序代码移植的设备都可能限制其自身的市场，支持C语言编译器的架构可解决这种移植带来的挑战。最好是能采用Java解释器(Java interpreter)，因为它能进一步缓解甚至完全消除代码移植问题。
　　
存储器需求
　　
架构中的存储器可扩展性也在优化产品线的性能及功耗上扮演重要角色。由于片上存储器消除了消芯片间的数据通信，因而比外部存储器的功率更低、具有更低的执行时间并减小了设备尺寸。但并非每一种产品都要求有同样容量的存储器，支持不同屏幕尺寸的电话所要求的缓冲器大小也不一样。能从各种存储器选项中进行选择，使同一核心架构能有效地适用于从低端到高端的各种设备。
　　
例如采用堆叠(stacking)技术，芯片厂商能在相同封装中将数个存储器块紧挨处理器裸片放置，这不仅能使处理器尺寸缩小并保持一致性，而且还能根据应用需求来提供各种经过优化的闪存或DRAM配置。存储器大小高度依赖于器件运行的应用类型，带Linux、Symbian或WinCE等操作系统的电话可能需要有两倍于DRAM的闪存容量，而具有实时内核的电话则通常只需相同数量的DRAM及闪存。 像音频流传输及下载等关键音频应用都需要大容量存储器。尽管将音频流保存在片上存储器中对于降低处理负载和功耗更有效，但这种方法会限制你缓冲器的大小，反过来又会影响播放的质量(如果无线连接不可靠的话)。但音频流传数可能只是一种权宜之计，音频流传输技术的主要优点是它能减少器件所需的存储器容量，因为任何时刻都只需保存部分多媒体数据。但可插拔闪存卡的价格还在继续下降，而MP3文件的大小则保持不变。将整个文件下载后再播放避免了采用不可靠无线连接传输带来的质量问题，相对于存储延时来说是值得的。而且，将整个文件下载还可以实现一些重要功能，如重复播放和快进等，这些都是通过流传输所不能实现的。

降低功耗的功率管理方法
  　　
在当前的无线通信设备中，射频已经不是最大的功耗产生者，但对其进行功率管理仍然很重要。虽然在优化前一代手机中的语音传输及接收方面已经进行了大量的工作，但数据传输与实时语音传输有很大的不同，射频管理仍值得特别关注。
　　
通过同时限制传输时间和接收时间可获得最大的功率节省。因此，尽管在数据传输前将其压缩会增加处理器的功耗，但完全可以通过减少发射器的工作时间来补偿，H.264视频会议标准即是一个很好例子。然而，虽然H.264可将视频流的比特率减少一半，但却是以大大增加译码的处理成本为代价，因为必须将所考虑的运动矢量从1增加至41。
　　
在接收器端可考虑对非实时数据在时隙方案基础上采用猝发机制。时隙方案能有效利用功率，因为电话仅需在其分配的时隙内使用接收器。但系统却需连续地接通及关闭接收器，这产生功耗并占用处理开销，而且即使没有接收数据都必须一直监听。采用猝发方式时，系统无需连续地接通和关闭，而只需在一个很短的时间内即可完成全部工作。由于数据为非实时，故你无需频繁地检查是否有数据，这又能进一步减少整个有效接收时间。
　　
管理便携式多媒体器件的功率对于无线业务的成功推广非常关键。但如果要进行大规模部署，多媒体处理就不可能仍然是高端技术，它必须具有可伸缩性，因为系统成本必须在大批量生产时显著下降，高额材料成本(BOM)将意味着不可能实现大批量生产。因此，任何成功的移动多媒体方案都必须从一开始即考虑大批量应用的要求。要想取得成功，器件就必须构建于能有效优化性能、功率、存储器及整个产品线成本的架构上。
　　
标准化接口
　　
在存在各种外围及基带器件及不同接口方式的情况下，构建便携式多媒体设备极具挑战。对于拥有真正灵活性的便携式多媒体设备OEM们来说，重要的是需要将这些器件的接口标准化，并简化API对这些接口的使用。这种标准化对于降低器件成本、减少设计复杂性以及将多媒体引入大规模市场来说极为关键。
　　
这也是“移动行业处理器接口(MIPI)联盟”的目标，该联盟由ARM、诺基亚、意法半导体及TI发起并得到英特尔、摩托罗拉及三星等主要厂商的支持。MIPI的目标是通过建立移动应用处理器接口开放标准来促进对移动计算器件的更快及更广泛的采用。在全球拥有超过65家成员单位的该联盟，旨在提供多种规范来满足丰富应用移动终端日益发展的接口要求。

另一关键技术是“操作、管理及维护(OAM)”协议，OAM能为器件管理及安全数据传输提供安全手段。对于OAM这里不再详述。