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�(yīng)用處理器
閱讀�5700�(shí)間:2011-04-17 18:38:10

  �(yīng)用處理器的全名叫最多媒體應(yīng)用處理器(Multimedia Application Processor�, �(jiǎn)� MAP。它是在低功� CPU 的基�(chǔ)上擴(kuò)展音視頻功能和專用接口的超大�(guī)�集成電路。MAP是伴隨著智能手機(jī)而產(chǎn)生的,普通手�(jī)只有通話和短信收�(fā)功能,稱為語(yǔ)音壓縮無(wú)線收�(fā)�(jī)更確切一��

�(jiǎn)�

  �(yīng)用處理器的技�(shù)核心是一�(gè)�(yǔ)音壓縮芯片,稱基帶處理器。發(fā)送時(shí)�(duì)�(yǔ)音�(jìn)行壓�,接收時(shí)解壓�,傳輸碼率只是未壓縮的幾十分之一,在相同的帶寬下可服�(wù)更多的人。智能手�(jī)上除通信功能外還增加了數(shù)碼相�(jī)、MP3 播放、FM 廣播接收、視頻圖像播放等功能,基帶處理器已經(jīng)�(méi)有能力處理這些新加的功能。另外視�、音頻(高保真音�(lè))處理的方法和語(yǔ)音不一樣,�(yǔ)音只要能�(tīng)�,達(dá)到傳�(dá)信息的目的就行了。視頻要求亮麗的彩色圖像,動(dòng)�(tīng)的立體聲伴音,目的使人能得到的感官享�。為了實(shí)�(xiàn)這些功能,需要另外一�(gè)�(xié)處理器專門(mén)處理這些信號(hào),它就是�(yīng)用處理器�

性能要求

  MAP 首先要求低功�,這是�?yàn)?MAP用在便攜式設(shè)備上,通常用電池供�,節(jié)能顯得格外重�,使用者給電池充滿電后希望使用盡可能長(zhǎng)的時(shí)�。誰(shuí)也不高興天天給手�(jī)充電,充電畢竟是既浪�(fèi)�(shí)間又麻煩的事。通常 MAP 的核心電� 0.9�1.2V,接口電壓 2.5v �3.3v,待�(jī)功耗小� 3 毫瓦,全速工作時(shí) 100�300 毫瓦。相比之��65 納米工藝的低功耗計(jì)算機(jī)CPU 速龍 Athlon 64 X2 4000+ 的待�(jī)功耗是 61 瓦,全速工作時(shí)� 87 �。應(yīng)用處理器和汽車發(fā)�(dòng)�(jī)一樣,工作是需要能量的,低功耗給 MAP 帶來(lái)的直接影響就是時(shí)鐘速度降低,處理能力低�。人人都有這種感覺(jué):在手機(jī)上玩游戲慢得象蝸�,屏幕菜單在�(yáng)光下看不清楚,這些缺陷就是低功耗造成的結(jié)�。低功耗也給電源管理帶�(lái)了挑�(zhàn),芯片內(nèi)必須�(shè)有復(fù)雜而有效的電源管理電路,時(shí)刻檢�(cè)各�(gè)功能模塊使用狀�(tài),把暫時(shí)�(méi)有使用的功能�(guān)�,以節(jié)約每一微安電流。實(shí)�(xiàn)低功耗還必須不斷�(kāi)�(fā)新的節(jié)能技�(shù),例如新� CMOS 工藝每一千�(gè)門(mén)只耗電幾十微安;Class D 放大器可以使電池壽命延長(zhǎng) 2.3 ��

  MAP 還要求體積微�,因?yàn)橹饕�?yīng)用在手持式設(shè)備中,每一毫米空間都很寶貴。MAP 通常采用小型 BGA 封裝,管腳數(shù)� 300�1000 �(gè),錫球直� 0.3�0.6 毫米,間� 0.45�0.75毫米。由于錫球之間間距很�,引線只能經(jīng)由垂直盲孔引出,印刷電路板就需� 8�14 層才能引出所有的連線。為了縮小體�,外圍器件通常� 0402� 0201 的封裝器�,高密度組裝� PCB �(shè)�(jì)、散熱和消除電磁干擾帶來(lái)很大的困�,整�(jī)性能也不如臺(tái)式設(shè)備好。圖 1 是MAP � PC cpu 的大小比較圖��

應(yīng)用處理器與CPU的大小比較

  MAP 還要具備盡可能高的性能,因?yàn)槿祟惥哂凶非蟊M善盡美的天�。目前較前衛(wèi)的智能手�(jī)已經(jīng)具備� DAB、藍(lán)牙耳機(jī)、數(shù)字電視接�、無(wú)線寬帶(Wi-Fi)網(wǎng)�(luò)瀏覽、GPS�(dǎo)��3D 游戲等功�,新的功能仍在積極開(kāi)�(fā)�。PMP 多達(dá)十幾種音視頻格式,UMPC 直追筆記本電腦的性能。這就�(duì) MAP 的速度和功能提出了更高的要�,現(xiàn)在微電子� IT �(lǐng)域的技�(shù)�(tǒng)�(tǒng)用到� MAP 中來(lái),例如用 90 �45 納米工藝提高速度和集成度,用前后�(tái)工作的雙核和多核 CUP � DSP 提升性能��

  在過(guò)去的二十年里,CPU 以高速處�,豐富的軟件,快捷的�(wǎng)�(luò)�(chuàng)造了超過(guò) 3 億臺(tái) PC�(jī)的輝煌成�。基帶處理器+MAP 的手�(jī)以攜帶方�,可隨時(shí)隨地通信�(chuàng)造了另一�(gè) 3 億臺(tái)的燦爛的�(yè)�(jī),這一切都?xì)w功于 MAP把電子設(shè)備從桌面上搬到了口袋�,從大家共享變成�(gè)人擁�。今后它仍繼�(xù)扮演著便攜式�(shè)備的大腦和心臟的角色,給人們的�(xué)�(xí)、工作和生活帶來(lái)方便,使人類的明天更美好�

電路�(gòu)�

  從表面上� MAP 是一塊超大規(guī)模集成電�(VLIC),它的工作模式分兩種情況:一種是全軟件模�;另一種是全硬件的模式。工作模�?jīng)Q定了 MAP 的結(jié)�(gòu),全軟件模式是嵌入式中央處理器加�(shù)字信�(hào)處理�,即CPU+DSP。目前典型的嵌入式CPU是ARM和MIPS,它的作用和 INTEL � AMD 用在 PC 上的 CPU 是一樣的,它做為一�(gè)通用的硬件平�(tái),運(yùn)行一�(gè)通用的操作系�(tǒng),用軟件指令�(lái)處理�(shù)�(jù)。當(dāng)�,數(shù)字化的音視頻也屬于數(shù)�(jù),事�(shí)上小尺寸的視頻圖像(例如 CIF � QVGA)也是用 CUP 處理的。但大尺寸的圖像(例如 D1 � VGA),嵌入式 CPU 就沒(méi)有足夠快的速度處理它們,于是放在 DSP 上運(yùn)�。DSP有很高的�(shí)鐘頻�,優(yōu)化的多級(jí)流水�(yùn)算結(jié)�(gòu),每秒可�(zhí)行幾千萬(wàn)甚至上億條指令。運(yùn)行方式和 CPU 相同,輸入的是軟件代碼,只要�(yùn)算速度足夠�,人眼看上去圖像是連續(xù)�,就�(rèn)為是能夠?qū)崟r(shí)處理視頻代碼。DSP 的它的優(yōu)�(diǎn)是使用非常靈�,可以支持多制式甚至是未�(lái)才能確定的制�;但缺點(diǎn)也是明顯�,因?yàn)檐浖侵饤l�(zhí)行的,盡管速度很快,還是需要花�(shí)間的,比起硬件邏輯來(lái)仍然較慢。對(duì)于編碼結(jié)�(gòu)�(fù)雜的視頻制式,往往需要在速度和質(zhì)量上作折�,以滿足�(shí)�(shí)的要�。很高的�(shí)鐘頻率必然帶�(lái)較大的功�,而且速度越快功耗越�。另外在 DSP �(yùn)行的軟件需要時(shí)間和人力去開(kāi)�(fā),周期長(zhǎng),成本高。全軟件 MAP 的代表產(chǎn)品是�(dá)芬奇、iM31、OMAP1710 ��

接口與外圍電�

  MAP � PC CPU 的區(qū)別是 MAP 是一�(gè)片上系統(tǒng)(SoC),必須把 CPU、多媒體處理器和外設(shè)接口集成到芯片內(nèi)�。� PC CPU 只是�(jì)算機(jī)中的中央處理�,通過(guò)外部的南橋和北橋�(kuò)展外�(shè)。因�,MAP 的接口電路比 PC CPU 更齊�,基本接口如下:

  1)計(jì)算機(jī)接口USB 接口:用�(lái)連接 PC,也可接 U�(pán)和帶 USB 接口的外�(shè)如打印機(jī)��

  PCI 接口:可� PCI 橋或 PCI-E � PC通信�

  RS-232: 連接 PC 可作為檢查和診斷接口,用于開(kāi)�(fā)初期� PC 通信和裸�(jī)啟動(dòng)�

  JTAG: 這是 PC � MAP 之間的調(diào)試接�2) 視頻接口Camera 接口:可以直� CMOS/CCD 圖像模組,接� R.G.B Bayer、R.G.B、Y.Cb.Cr、SCCB 格式的視頻信�(hào)�

  ITU-R 656 接口:一�(gè) MAP �(yīng)該有兩�(gè) ITU-R 656 接口� 一�(gè)接收電視信號(hào),但這是一�(gè)雙向接口,另一�(gè)輸出電視信號(hào)�

  LCD 接口:這是一�(gè)高速的液晶顯示接口,輸� 24 比特視頻�(shù)�(jù),能支持 1024×768每秒 30 幀活動(dòng)圖像顯示,可支持主流廠商� LCD 屏。這�(gè)接口可編�,在便攜式設(shè)備中只需� CIF 尺寸的圖像時(shí),這�(gè)接口可拆分成多屏格式�

  TS 接口:這是一�(gè)可接收數(shù)字電視的傳輸流的接口HDMI3)音頻接口AC97 接口:這是 Intel 制定的多媒體聲卡�(guī)范,全名� Audio CODEC 97??梢?jiàn)它是一�(gè)音頻編解碼器�(biāo)�(zhǔn),支� 20比特編碼� 48KHz 采樣�,支� S/PDIF �(shù)字接�。AC97� PC上已�(jīng)� HD Audio 替代,在 MAP 上仍在使��

  2I S接口: 全名是Inter-IC Sound Bus,是飛利浦公司為�(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻�(shù)�(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)�(zhǔn),它是一�(gè)3線標(biāo)�(zhǔn),數(shù)�(jù)格式比較靈活,支�8�24比特�8�192KHz,高�(dá) 2048 倍過(guò)采樣頻率。音�(zhì)比AC97 更好�

  4)數(shù)�(jù)接口GPIO接口:通用輸入輸出可編程接�,可接矩陣鍵�(pán),數(shù)字采樣和控制信號(hào)�

  UART 接口:可配置成鼠�(biāo),紅外通信,語(yǔ)音基帶和 GPS 等專用接��

  5)網(wǎng)路接口LOCAL bus:這是嵌入� CPU 按某一�(biāo)�(zhǔn)虛擬的局部總�,獨(dú)立于 CPU 的結(jié)�(gòu),在 MAP和外圍之間形成一�(gè)中間緩沖�,從而于 CPU的時(shí)鐘頻率無(wú)�(guān),用戶可以通過(guò)它把一些外�(shè)掛在 CPU上。例� Z228 上的 MC68000 總線,可以支� 68k 接口的以太網(wǎng)芯片�

  PCI bus:這是 1993 � INTEL� PC制定的標(biāo)�(zhǔn),目前該總線可分� PCI 1.0� PCI  2.0�

  PCI 1.0� 32位總�,時(shí)鐘頻� 33MHz,總線傳輸率� 132MB/S,而PCI 2.0� 64位總�,時(shí)鐘頻� 66MHz,傳輸率 264MB/S,目前版本� PCI 2.1。PCI 能支持10種外設(shè),能支持線性突�(fā)的數(shù)�(jù)傳送模�,以�??偩€更有效地利用頻帶寬,不斷地滿載�(shù)�(jù)�(jìn)行傳�,減少無(wú)謂的尋址操作。具� PCI 接口的網(wǎng)路外�(shè)芯片種類繁多,價(jià)格低�,比 LOCAL bus 更通用。X900 集成� PCI 總線�

  SPI bus: (Serial Peripheral Interface)接口最早是Motorola用在MC68HCXX系列處理器上�2這是一�(gè) 3線串行雙工總�,數(shù)�(jù)傳輸速度比I C�,可�(dá)到幾Mbps。許多用于外圍的接口2芯片都具有SPI,如�(shù)字傳感器、多路模�(shù)�(zhuǎn)換器、E PROM、RTC、調(diào)制解�(diào)器、Wi-Fi模塊��

  6)儲(chǔ)存器接口�(chǔ)存器接口分系�(tǒng)�(chǔ)存和外部?jī)?chǔ)存兩部分,系�(tǒng)�(chǔ)存器由閃存和 DDR 組成,閃存又� NANDFlash 和NOR Flash,前者用于儲(chǔ)存用戶數(shù)�(jù)和操作系�(tǒng)的映像文�,如音視頻文件和 WinCE,容量沒(méi)有上限。后者用于運(yùn)� bootloader 和保存操作系�(tǒng)。DDR 為系�(tǒng)和應(yīng)用程序提供空�,MAP 中CPU 和顯示共� DDR, 為了不影響速度,應(yīng)該設(shè)�(jì)支持較高頻率� DDR�,如 533MHz � 667MHz,位寬 64 位或 128 �,支持較大的尋址空間,如 4�100GHz� 外部?jī)?chǔ)存器接口�(yīng)支持傳統(tǒng)的半�(dǎo)體和磁介�(zhì)�(chǔ)存器,例如SD 控制器和CF/PCMCIA 控制��

  通過(guò)SD接口,可支持SD/Mini SD�,讀�(xiě)速度分別�8MB/s�6MB/s;能支持CF/PCMCIA控制�,也可以把把它配置成 True IDE 模式,可外接 1 英寸 IDE 微硬�(pán)�

  7)控制接口LOCAL bus 、PCI bus 、SPI bus都可以用�(lái)作控制接�,但用MAP�(shè)�(jì)系統(tǒng)�(shí)最有用�2�(shí)I C,通過(guò)它可以設(shè)置外圍芯片的寄存器,使MAP于外圍電路協(xié)同工�。多余的GPIO也可2用于�(kāi)�(guān)控制或用軟件配置成I C使用�

  MAP 的外圍電路包括系�(tǒng)和外�?jī)?chǔ)存器,接收模擬電視音視頻編解�,平板顯示器�,人�(jī)接口和電�,圖� X900 的外圍電�。廠商通常� MAP 和外圍電路設(shè)�(jì)成演示板形式提供給用戶的,用戶可以從演示板上剪裁和增添功能,�(shè)�(jì)出具有自己特色的�(chǎn)��

�(yīng)�

  �(yīng)用處理器 的主要應(yīng)用領(lǐng)域是便攜式消�(fèi)類電子,早期� �(yīng)用處理器 以微縮版?zhèn)€兒電腦的形式出�(xiàn)在市�(chǎng)�,這就是俗稱商�(wù)通的�(gè)人數(shù)字助理(PDA)。PDA 需要有一雙大手才能握�,操作比�(gè)人電腦復(fù)�,功能遠(yuǎn)不如一�(tái)低端電腦,因而沒(méi)有流行多久就衰落了。后�(lái) PDA 與手�(jī)功能相結(jié)�,并整合了信息管�、攝�、游�、MP3 等功能后�(kāi)始火爆起�(lái),現(xiàn)在每� 90%的�(yīng)用處理器 都是用來(lái)裝配智能手機(jī)。應(yīng)用處理器 自身的功耗和體積不斷在縮�,功能也日益�(qiáng)�,現(xiàn)在的手機(jī)都能裝在上衣口袋�,手�(jī)使便攜這一稱呼變得名副其實(shí)�

  上海杰得� 2003 年成立以�(lái)一直立足于高端�(yīng)用處理器的開(kāi)�(fā)研究,現(xiàn)在已�(jīng)� Z228� X900 兩代�(chǎn)品問(wèn)�。杰得在�(yīng)用處理器的開(kāi)�(fā)和應(yīng)用中�(rèn)�(shí)到�(gè)人信息處理的重要性和廣泛的用�,提出了便攜式信息終� HIT (Handheld information Terminal)的概念。HIT的目�(biāo)使人們能自由的選擇資�、享受娛�(lè),它�(qiáng)�(diào)的是商務(wù)+娛�(lè),實(shí)�(xiàn)的功能包� GDP——游戲(Gaming�、數(shù)�(jù)(Data)和播放(Player)。當(dāng) �(yīng)用處理器 的速度超過(guò) 1GHz 以后,數(shù)�(jù)處理能力就相�(dāng)于奔� 4 �(gè)人電�,UMPC 的全部功能就可移置到智能手機(jī)�。這種手機(jī)就真正成為一�(gè) HIT/GDP,無(wú)� Wi-Fi和以太網(wǎng)將使 PC 上的即時(shí)聊天功能(QQ\MSN\SKYPE)、網(wǎng)�(luò)瀏覽和網(wǎng)�(luò)游戲象打電話一樣隨�(shí)隨地可以�(jìn)��

  高端� �(yīng)用處理器 只要具備大于 VGA(640×480)� D1(720×576)尺寸的圖像處理能力,就可以用于桌面電子系�(tǒng),如�(shù)字電視機(jī)、IPTV �(jī)頂盒、可視電�、電子像框等�(shè)�。如果采用工�(yè)�(biāo)�(zhǔn)的工藝生�(chǎn)和封�,還可以用于智能�(jiān)�,汽車電�,醫(yī)療儀器等�(lǐng)��

�(fā)展前�

  �(yīng)用處理器 是伴隨智能手�(jī)而發(fā)展起�(lái)�,目前是以協(xié)處理器的地位出現(xiàn)在智能手�(jī)�,但這種情況很快就會(huì)�(fā)生變�。就象上世紀(jì)九十年代中期�386整合 286 和協(xié)處理器一�,基帶處理器�(huì)整合� �(yīng)用處理器 �,或者說(shuō)� �(yīng)用處理器 整合到基帶處理器中去。因?yàn)檫@兩種 IC 都是�(shù)字電�,電路的�(guī)模和工藝相近。為什么現(xiàn)在沒(méi)有整�?是�?yàn)閮煞N技�(shù)分別掌握在不同的公司手里,應(yīng)用處理器 廠商�(kāi)始設(shè)�(jì)芯片�(jié)�(gòu)�(shí)就想把基� IP �(nèi)置于自己的芯片中,但苦于一�(shí)買不到合適的 IP,或者在�(shí)間和�(fēng)�(xiǎn)上存在問(wèn)�。我想基帶廠商也有同樣的想法。于是這種整合放到了下一步。現(xiàn)在雖然已有基� �(yīng)用處理器 面世,這是�(yǔ)音基帶廠商設(shè)�(jì)的,多媒體功能比較弱,無(wú)力與主流 �(yīng)用處理器 抗衡�

  接下�(lái)的發(fā)展是混合�(shè)�(jì),現(xiàn)� �(yīng)用處理器 需要與模擬和混� IC 配合才能�(gòu)成系�(tǒng),這些外圍包括視頻編解碼器、音� ADC/DAC、功率放大器、以太網(wǎng)接口、HDMI 接口、藍(lán)牙模塊、Wi-Fi模塊、GPS 模塊、FM 模塊、電源管理等。未�(lái)� �(yīng)用處理器 除了外接DDR 和FLASH�,沒(méi)有其他外� IC,是一�(gè)名副其實(shí)� SoC�

  隨著便攜式電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越多和和軟件的規(guī)模越�(lái)越大,應(yīng)用處理器 必須在不增加功耗的前提下大幅度增加處理能力和速度才能適應(yīng)要求。目前最�(qiáng)大的嵌入� CPU � 32 位的ARM11,時(shí)鐘速度� 750MHz,與 64 � 4GHz 的至�(qiáng)處理器相比差距甚�(yuǎn)。但提高�(shí)鐘頻率后,功耗會(huì)急劇上升,需要高效和智能的電源管理技�(shù)和更微細(xì)的小� 45 納米的低功耗工藝來(lái)尋找出路�

  多核�(jié)�(gòu)也是一條增�(qiáng)功能的出路。未�(lái)� �(yīng)用處理器 � ASIC 還是 DSP 還會(huì)繼續(xù)�(zhēng)論下�,比較好的結(jié)�(gòu)是用 CPU+DSP,在 CPU 上安裝嵌入式操作系統(tǒng),運(yùn)行應(yīng)用程序和處理用戶�(shù)�(jù),用 DSP �(duì)付格式繁雜的視音頻信�(hào)�

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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