多媒體應用處理器效能強化關(guān)鍵

標簽：多媒體 應用處理器

行動(dòng)終端裝置由于多媒體應用廣泛，而且對質(zhì)量的要求更甚以往，例如，2D顯示提升為3D顯示，而同時(shí)進(jìn)行影音、通訊、導航…等任務(wù)，已是基本應用!從基頻處理器外分出專(zhuān)用多媒體應用處理器，甚至還必須大規模強化多媒體應用處理器效能，應付日漸繁重的處理需求…

圖說(shuō)：行動(dòng)終端裝置應用愈來(lái)愈豐富，但系統能應用的資源卻相對有限，如何讓裝置展現最佳多媒體呈現效果?處理器架構與效能絕對是重要關(guān)鍵!時(shí)下如PDA、PMP、PND…都需要極高運算效能支持，架構最佳化多媒體應用處理器與系統環(huán)境，已是這類(lèi)行動(dòng)裝置實(shí)用價(jià)值的重要基礎…

手機、數字電視、數字相機、個(gè)人導航裝置(PND)、可攜式播放機(PMP)…等，處理原本主要用途的組件，稱(chēng)為基頻處理器(Baseband Processor)，不過(guò)在多媒體運用，特別是愈強調質(zhì)量的影音播放用途，已超越基頻處理器的處理能力，因此，多媒體應用處理器(Multimedia Application Processor)，成為行動(dòng)裝置中協(xié)同處理器一員。

換言之，多媒體應用處理器原本只是行動(dòng)裝置內眾多處理器的1種，以手機為例，內部處理器根據IDC定義，有高階多媒體應用處理器(High-End Multimedia Application Processor)、基頻或整合式基頻處理器(Integrated Baseband Processor)、操作系統應用處理器(OS Application Processor)、多媒體應用處理器(Multimedia Applications Processor)、多媒體協(xié)同處理器(Multimedia Co-processor)、相機影像協(xié)同處理器(Camera Coprocessor)、及LCD屏幕控制器(LCD Controller)等7種。

上述眾處理器中，現今多媒體應用無(wú)論質(zhì)與量都與時(shí)俱進(jìn)的市場(chǎng)趨勢，多媒體應用處理器在許多原本并非職司此道的行動(dòng)裝置上，反成了重要組件!其設計與發(fā)展趨勢足以影響行動(dòng)裝置整體表現。

高質(zhì)量多媒體應用漸多　多媒體應用處理器強化效能

多媒體應用處理器發(fā)展迄今，第1個(gè)重要的設計方向，便是強化效能。作法分為2類(lèi)，其一是在原本架構上，作更進(jìn)一步加強、調校，直接的作法是提升頻率，并非線(xiàn)性提升，更重視每頻率所能帶來(lái)的效率(如MIPS或DMIPS/MHz)，所以，微架構調整也相當重要。

多媒體應用處理器微架構強化方向相當多，舉例而言，使用更高效率超純量管線(xiàn)(Super-scale Pipeline)，讓單一頻率能執行多重指令;強化浮點(diǎn)運算單元(FPU)，如加快單倍與雙倍精準度純量運算作業(yè)速度，并加入額外16位浮點(diǎn)運算數據類(lèi)型轉換指令，增進(jìn)與嵌入型3D處理器間數據交換速度;內建多媒體處理單元(Media Processor Engine)，支持SIMD運作模式，如每周期能處理8、16、32位整數與32位浮點(diǎn)運算數據，甚至支持混合數據類(lèi)型，排除封裝/解封裝耗費的資源，及結構化加載/儲存功能，讓數據不必于演算格式與機械格式間來(lái)回轉換。

在微架構外部方面，可強化與內存間存取效率，如加大快取容量/頻寬、降低遲延，解決L1/L2快取間的一致性問(wèn)題，例如，設立1個(gè)偵測控制單元(Snoop Control Unit;SCU)然而，任何接觸內存中的關(guān)聯(lián)區域存取，SCU都將進(jìn)行監控，測試要求的信息是否已儲存在處理器L1快取中，若信息已存于快取內，就直接傳回發(fā)出要求組件，否則會(huì )利用最佳化算法，盡量使數據盡可能利用L2快取，藉此排除直接寫(xiě)入芯片外部?jì)却嫜苌墓?，并提高整體效能。

單核心最佳化，面臨多任務(wù)處理時(shí)發(fā)生瓶頸，例如，1個(gè)行動(dòng)終端可能同時(shí)進(jìn)行視訊/音訊播放、導航定位、數據庫搜尋、無(wú)線(xiàn)傳輸…等工作，效能再強大的單一多媒體應用處理器，往往也因此捉襟見(jiàn)肘，所以，多核心成最佳解決方案。不過(guò)此處必須說(shuō)明，這里談的并非基頻/多媒體應用處理器封裝在一起的異質(zhì)多核心架構，而是多媒體應用處理器本身就采用同質(zhì)多核心運作。

多核心架構帶來(lái)效能提升，在軟件支持環(huán)境下，利用新增指令讓多核心處理器于程序執行時(shí)，動(dòng)態(tài)從超純量執行切換成執行多個(gè)并行執行緒，建立程序內執行多執行緒機制，僅雙核心針對譯碼MPEG-2效能，就比單核心提高52%!不過(guò)，多核心真正的價(jià)值，除直接效能性提升外，更重要的是多核心處理器還能充分利用不同應用指令間的平行處理(Instruction-Level Parallelism;ILP)和執行緒階層平行化(threading-Level Parallelism;TLP)，換言之，具較高ILP與TLP應用，對于多核心架構適應力較高，效能提升幅度也會(huì )更大。

至于采多核心的負面影響，則分為硬件與軟件方面。硬件方面是在寸土寸金的行動(dòng)終端裝置，多了1組核心，就表示多1倍晶體管，但多數應用環(huán)境中，效能卻并非等比提升1倍，但目前半導體技術(shù)進(jìn)步，多核設計可有程度不等的晶體管共享(如L2快取或內存邏輯控制電路共享…等)，降低多核芯片尺寸與功耗。

反而軟件問(wèn)題比較復雜，例如，多個(gè)執行緒甚至應用程序存取同1個(gè)內存區塊問(wèn)題，如果，某1個(gè)程序沒(méi)有針對多核心運作最佳化，可能就會(huì )讓系統不穩定，因此，因應多核環(huán)境修正嵌入式軟件與針對多核心最佳化，是目前推展多核心多媒體應用處理器頗大的阻礙。

不過(guò)，總體來(lái)看，就如同x86處理器在頻率發(fā)展遭遇高耗能與高熱瓶頸后，即透過(guò)多核心抒解的發(fā)展軌跡，多媒體應用處理器采多核心抒解性能瓶頸，也是必然趨勢，不過(guò)多核心對于芯片面積更為敏感，因此，半導體制程進(jìn)展成為開(kāi)發(fā)關(guān)鍵。此外，多核心架構的省電機制設計也相當重要，如果分配得宜，能比單核心更省電、且效能更高。

圖說(shuō)：多媒體應用處理器設計的首要目標，是彈性架構與效能強化，以適應各種裝置需求。(Toshiba)

圖說(shuō)：多核心運作可強化處理器架構，也是多媒體應用處理器設計趨勢，但軟件支持度仍有待考驗。(ARM)