降低顯示功耗來(lái)延長(cháng)移動(dòng)電池壽命

有許多因素會(huì )影響器件的功效，功效可以用電池兩次充電之間可用小時(shí)數來(lái)衡量。在如今這個(gè)高清移動(dòng)屏時(shí)代，電池耗費最大的主要因素有兩個(gè)——顯示器亮度和視頻與圖形子系統的功耗。在這篇文章中，我們將討論后者——系統級芯片中的智能視頻和顯示流水線(xiàn)(Display Pipeline)。智能，意味著(zhù)提供與競爭性解決方案類(lèi)似的性能，但要求低得多的功耗。

視頻與圖形子系統面臨的挑戰

現代圖形SoC要求以高幀速率渲染高分辨率圖像，并且在此基礎之上執行多個(gè)圖像后處理任務(wù)，如縮放、旋轉、像素格式轉換等等。應對這種挑戰的典型方法是采用圖形處理單元(GPU)，然而，由于其通用性架構，在具體顯示處理操作期間的功效并不是最優(yōu)的。

針對這種情況，Evatronix公司開(kāi)發(fā)出了PANTA DP IP內核——系列顯示處理器，旨在從GPU接管這些特殊顯示任務(wù)，進(jìn)而顯著(zhù)降低功耗。PANTA處理器專(zhuān)門(mén)針對一些執行任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化，如多層組合、YUVRGB轉換、旋轉、阿爾法混合、伽瑪校正以及在將幀緩沖內容提交給顯示器之前的其它任務(wù)。這樣可以通過(guò)部分或全部卸載GPU任務(wù)而顯著(zhù)降低總的SoC動(dòng)態(tài)功耗。由于通過(guò)減少對視頻和圖形幀緩沖器的訪(fǎng)問(wèn)次數而保留了最小的系統內存帶寬，因此可以進(jìn)一步降低PANTA DP輔助SoC的功耗。

增強現有架構

我們以一個(gè)處理多個(gè)顯示器輸出的GPU處理顯示流水線(xiàn)為例。該系統要在兩個(gè)具有不同分辨率的屏幕上顯示圖形幀——外部全高清(1920x1080像素)和本地高清(1280x720像素)顯示器。每個(gè)幀由3個(gè)層組成。第一層是由以前設備相機記錄的經(jīng)過(guò)譯碼的全高清視頻。這個(gè)幀以YUV 4:2:0格式存儲在幀緩沖器內。另外兩層是音量控制和記錄速率，由GPU以RGB格式產(chǎn)生。在組合層可以被顯示之前必須執行許多操作，包括YUV到RGB視頻層轉換、三幀阿爾法混合、縮放和旋轉。在如圖1所示的系統中，顯示控制器只需傳送幀緩沖器中由GPU準備好的最終數據。

圖1：典型的多顯示器系統。

在這個(gè)案例中，能量被GPU中執行的特殊顯示任務(wù)浪費了，而GPU專(zhuān)門(mén)針對執行不同圖形運算操作——本例中是2D圖形渲染進(jìn)行過(guò)優(yōu)化。

為了提高能效，可以使用PANTA系列元件。圖2顯示了一個(gè)圖形子系統架構例子，其中使用了兩個(gè)配置有PANTA CP20縮放協(xié)處理器的PANTA DP30顯示處理器。在這個(gè)例子中，GPU只負責渲染圖形層像素，并將結果發(fā)送到幀緩沖器。因此GPU任務(wù)量得到了很大程度地卸載，因為YUV到RGB轉換、阿爾法混合、縮放和旋轉交給了PANTA DP30和PANTA CP20單元來(lái)完成。

圖2：采用PANTA元件的多顯示器子系統。

在這個(gè)系統中，由PANTA DP30轉換到RGB格式的視頻層會(huì )與其它圖形層組合在一起，并在外部屏幕上直接顯示。與此同時(shí)，組合幀被PANTA CP20模塊從1080p縮小到720p，并返回到幀緩沖器。第2個(gè)PANTA顯示處理器取回縮小后的幀并旋轉90度，然后將它發(fā)送給本地顯示器。由于PANTA IP的縮放和旋轉功能，這兩個(gè)額外操作不需要在GPU中執行，因此圖形子系統中的總體功耗會(huì )有顯著(zhù)降低。另外，由于幀緩沖器中存儲的圖形數據大小取決于幀分辨率和格式，因此與圖1所示的典型多顯示器解決方案相比，PANTA元件的使用可以將系統內存帶寬最多減少40%。在這個(gè)用例中描述并用40nm LP工藝實(shí)現的PANTA元件總功耗不到30mW。

PANTA顯示處理器還能降低更多的功耗。在有些情況下，所有視頻和圖形處理任務(wù)都可以由PANTA元件執行，因而允許完全關(guān)閉GPU。圖3顯示了一種用例，其中PANTA IP顯示由視頻譯碼器傳送至幀緩沖器的譯碼視頻。這樣的數據流只要求旋轉以及YUV至RGB轉換，因此完全不需要GPU參與。在這種情況下，采用40nm LP工藝實(shí)現的PANTA DP30功耗不會(huì )超過(guò)6mW。

圖3：沒(méi)有GPU的PANTA DP輔助顯示子系統。

小結

因為三維游戲和高清視頻回放正在成為移動(dòng)設備的基本功能，因此上述視頻流水線(xiàn)在SoC等級得到功耗最優(yōu)化非常重要。用戶(hù)期望智能手機和平板電腦能夠提供超長(cháng)電池壽命，在多媒體應用期間也不例外。

Evatronix PANTA處理器可以在不犧牲任何性能的前提下幫助用戶(hù)提高顯示子系統的功效，這要歸功于代替GPU執行特殊顯示任務(wù)、最大限度減少視頻/圖形子系統內存帶寬的內部IP。