利用西橋架構有效管理多媒體手機數據流

如今的手機正逐漸成為融合多種技術(shù)的多功能設備。它們具有互聯(lián)網(wǎng)接入、Wi-Fi連接、一體化音樂(lè )回放、GPS導航、高質(zhì)量數碼相機、藍牙連接等功能，并且配備有標準的PC類(lèi)接口，可用于開(kāi)發(fā)和增加程序。隨著(zhù)手持設備集成度的不斷提高，手機設計師越來(lái)越迫切地需要將音頻、視頻、互聯(lián)網(wǎng)和導航服務(wù)集成到單個(gè)設備上，必須設計出具有更大存儲容量和更快速外設接口的產(chǎn)品，以便支持對日益增加的多媒體數據的處理。

手機設計師已經(jīng)在體積、功耗、功能和價(jià)格方面面臨艱巨的市場(chǎng)挑戰。對多媒體功能的需求需要更大的存儲器和更快的連接性能，這直接影響到移動(dòng)設備的價(jià)格和尺寸，并限制了可選功能的范圍。雖然處理器制造工藝技術(shù)節點(diǎn)大約每?jì)赡昃颓斑M(jìn)一代，但存儲器技術(shù)是以每6個(gè)月的速度在更新?lián)Q代。因此手機設計師必須在創(chuàng )建穩定成熟的平臺和集成那些要求更大存儲器和更快接口的下一代功能之間取得平衡，努力將總體尺寸、功率和成本保持在一個(gè)合理范圍內。

個(gè)人計算機領(lǐng)域在20世紀90年代初存在類(lèi)似的趨勢，當時(shí)與處理器連接的外設變化速度要比制造商發(fā)布新處理器的速度快得多。英特爾的解決方案是在處理器與存儲器及其他外設之間架設南橋和北橋。在手機中使用橋架構與PC中的情況十分相似。為了區別于PC中的南橋和北橋，這種技術(shù)在手機中被稱(chēng)為西橋，它給設計師提供了足夠的靈活性，使他們既能縮短設計周期，還能為最新存儲器和其他外設提供可靠、高速的接口。

移動(dòng)設備的存儲要求

移動(dòng)設備的內存可傳送的數據量是有限的，但內存可以通過(guò)在架構中引入安全數字(SD)卡或多媒體卡(MMC)進(jìn)行擴充，這項功能只需極低的額外成本，因此非常具有吸引力。

移動(dòng)設備的內存首選是NAND閃存，這種閃存具有每比特成本低、密度高和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。NAND控制器實(shí)現方案將可用的NAND器件類(lèi)型限定為單層單元(SLC)和多層單元(MLC)。MLC由于以同樣的價(jià)格可以提供更高的密度而越來(lái)越流行。雖然目前市面上支持NAND的移動(dòng)處理器大部分支持SLC NAND，但許多處理器也在增加MLC內存以盡可能節省成本。

所有的NAND器件都需要某種控制器端處理開(kāi)銷(xiāo)，以使器件壽命最大化?？刂破鞅仨毩私獯嬖诙嗌賶膲K(壞塊管理)，有些壞塊是制造商已標記的，其他壞塊則是器件使用過(guò)程中逐漸變壞的。為了盡量減少后一種情況的塊數量，控制器可以采用磨損均衡技術(shù)，做到對整個(gè)存儲器件的均勻寫(xiě)入?？刂破鬟€應利用ECC狀態(tài)機來(lái)管理錯誤。對NAND管理的支持級別隨工藝節點(diǎn)而改變(NAND閃存是目前存儲器領(lǐng)域中工藝節點(diǎn)變化最快的器件之一)。

大多數移動(dòng)設備架構并沒(méi)有充分發(fā)揮NAND閃存擁有的性能和可靠性?xún)?yōu)勢，因而不能提供應有的深刻用戶(hù)體驗。另外，雖然閃存密度在不斷提高，但移動(dòng)處理器無(wú)法跟上。如果設計師想保持可移動(dòng)和嵌入式內存的靈活性，同時(shí)最大化設備性能，移動(dòng)架構必須快速高效地支持不斷變化的NAND閃存要求。

多媒體手機的數據吞吐量要求

多媒體應用要求能夠同時(shí)在移動(dòng)設備和PC上處理大量數據(PC一般用于管理下載到手機中的多媒體數據)。下載通常是直接在手機和PC間通過(guò)USB電纜完成的。研究表明，用手機聽(tīng)音樂(lè )的用戶(hù)中約80%通過(guò)PC下載音樂(lè )。照片、視頻和游戲也是采用相同的使用模式。要想實(shí)現真正的移動(dòng)性，就必須具有向移動(dòng)設備快速傳送數據的能力，并且在手機上提供大量的內存空間用于存儲數據。

USB是手機和PC之間進(jìn)行通信的首選方案，因為它穩定、協(xié)議完善而且數據速率高。雖然低速USB主要用于人機接口設備，如鍵盤(pán)和鼠標，而全速和高速USB能夠分別以12Mb/s和480Mb/s的速率傳送數據。目前的移動(dòng)處理器集成了全速USB，但全速USB對多媒體應用所需的大量數據傳輸而言已經(jīng)不夠用了。

設計師不能坐等處理器制造商將高速USB集成入下一代器件。相反，他們使用專(zhuān)用的USB控制器來(lái)實(shí)現這些功能。遺憾的是，接口速度越快，加在主應用處理器上的負擔就越重。

減輕處理器負載的方法之一是增加另外一個(gè)處理器來(lái)實(shí)現與PC的通信以及對NAND內存的管理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是性能高，但使用第二個(gè)處理器會(huì )增加設備的價(jià)格、體積和功耗。另外一種方法是讓用戶(hù)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接和數據下載。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)很擁擠，而且用戶(hù)也不愿負擔額外的數據網(wǎng)絡(luò )接入費用，更不用說(shuō)與直接和PC連接相比，這種無(wú)線(xiàn)連接方式速度慢、技術(shù)復雜且可靠性降低。

即使制造商努力在移動(dòng)處理器中集成新的內存和外設接口，新的接口還是層出不窮。4GB或8GB的SD卡到今年底將增加到16GB。NAND閃存則在ECC實(shí)現、磨損均衡和壞塊管理方面性能越來(lái)越強。USB 3.0超速(4.8Gbps)規范也有望在今年完成。而設計師的挑戰是，面對變化日益加快的技術(shù)，移動(dòng)系統中使用的處理器在集成和支持方面的速度太慢。

西橋架構

十年前PC解決類(lèi)似問(wèn)題時(shí)采用的南橋和北橋確定了現在使用的處理器類(lèi)型以及存儲器的類(lèi)型與速度，使得處理器開(kāi)發(fā)能獨立于系統的其他部分。北橋用來(lái)連接處理器和高速圖形總線(xiàn)，包含一個(gè)存儲器控制器，并連接到南橋。南橋用來(lái)連接系統和串行與并行I/O外設、PCI總線(xiàn)、板上圖形以及系統BIOS。

要解決手機中的數據吞吐量問(wèn)題，需要搞清楚目前移動(dòng)架構中的瓶頸所在。舉例來(lái)說(shuō)，手機的主處理器需要連接手機的射頻模塊，并控制LCD、鍵盤(pán)、存儲器、音頻和照相機，還要控制與PC及其他外設的連接。處理器要處理的任務(wù)非常多，因此減輕它們的負擔可以極大地提高設備性能和用戶(hù)體驗。這樣，由于數據吞吐量提高而增加的壓力無(wú)需添加第二個(gè)處理器或增大網(wǎng)絡(luò )流量就可以得到有效減輕。

為了將數據包存儲到與其連接的存儲器，處理器必須被中斷。一旦處理器準備好，它就會(huì )將數據移送到SRAM進(jìn)行緩存，然后拷貝到存儲器件中。在這個(gè)過(guò)程里，處理器可能被中斷多次以執行更高優(yōu)先級的任務(wù)。處理器內存接口可以在USB控制器和存儲器件之間共享。這種架構將引入多處瓶頸，并且處理器必須保持較長(cháng)的工作周期。

如果要提高傳送速率和功效，就必須把處理器從數據路徑中移走。另外，數據必須沒(méi)有總線(xiàn)沖突地從主PC經(jīng)過(guò)直接數據路徑到達存儲器。橋可以解決所有這些問(wèn)題，并且不需要增加另外的處理器就能提供額外所需的功能，從而減輕了處理器存儲總線(xiàn)上的擁塞問(wèn)題，讓處理器去處理其他任務(wù)，并斷開(kāi)存儲器技術(shù)節點(diǎn)與處理器之間的聯(lián)系。