個(gè)人多媒體進(jìn)入車(chē)載應用對SoC平臺的技術(shù)要求分析
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實(shí)現的方案
由于汽車(chē)OEM的設計周期較長(cháng)，因而一種成熟的車(chē)載信息娛樂(lè )系統不太可能在一個(gè)產(chǎn)品周期中突然成為現實(shí)，而是必定要從包括標準調諧器、模擬信號處理器和傳統的光存儲器(CD)的現有系統不斷發(fā)展改進(jìn)。
下一步將是已在興起的數碼音頻潮流，但在未來(lái)幾年內，模擬信號處理將完全讓位于DSP、數字IF調諧器、為數字媒體定制的電源系統以及包括大量媒體處理的存儲器。
接下來(lái)將是導航、遠程通信和視頻——不過(guò)目前還難以預測特定的功能如何實(shí)現。最后，信息娛樂(lè )系統將包括收音機和GPS、蜂窩和數字視頻廣播接收機。
汽車(chē)電子設計工程師面臨的問(wèn)題相當有挑戰性：未來(lái)十年左右，他們大概還需要創(chuàng )建多少全新的架構？
一種觀(guān)點(diǎn)認為，將來(lái)只存在一種配置性能很強的架構，而且同樣重要的是——車(chē)載信息娛樂(lè )系統將沿著(zhù)與家庭娛樂(lè )系統非常相似的道路發(fā)展，家庭娛樂(lè )系統在過(guò)去三四年一直風(fēng)光無(wú)限。
下一代信息娛樂(lè )系統
下一代車(chē)載信息娛樂(lè )系統的基本要求已很明確：高性能、配置性能強以及能夠處理多個(gè)多媒體數據流。
這些要求顯然指向一組輔助屬性：高性能數字信號處理、RTOS以及標準化的進(jìn)程間通信(由保留裕量的軟件架構來(lái)支持)。
繼家庭娛樂(lè )模式之后，硬件實(shí)現很可能是一個(gè)雙核心(RISC/DSP)SoC，在上面運行RTOS及專(zhuān)門(mén)針對多媒體和流媒體要求而調整的第二個(gè)操作系統環(huán)境。
首先考慮RTOS，表1列出了雙核心RISC/DSP通信所需的RTOS增強功能。
當然，流式多媒體的軟件環(huán)境必須與RTOS協(xié)同操作——但是其功能卻差異很大，因為軟件環(huán)境是處理流媒體，而流媒體的格式和編解碼器變化異于常規。
流媒體軟件架構首先是一個(gè)組件框架，要求：1.構建和連接組件的協(xié)議要統一；2.API一致或相似；3.支持組件同步；4.發(fā)展路徑清晰。架構的一項關(guān)鍵特性是每個(gè)組件都不應該有全局意識。換句話(huà)說(shuō)，I/O可以通過(guò)應用程序進(jìn)行配置。
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表1：RTOS要求和增強功能。 |
流媒體也對硬件架構有特殊要求，首先是DSP。例如，VLIW架構就較理想，因為此架構一個(gè)時(shí)鐘周期內可處理多條指令。
多個(gè)多媒體數據流需要低延遲方能正常運行，使用此架構則有助于獲得更高的工作效率。其他較理想的DSP特征包括：用于計算的硬連接指令、用于快速計算的大寄存器以及額外的特殊內存緩存，以增強性能。
DSP內核——需要VLIW
十幾年前，TriMedia內核就將VLIW架構引入商用IC世界，從那以后不斷升級。它開(kāi)始是作為媒體處理器，因此非常適用于汽車(chē)信息娛樂(lè )計算。
TriMedia采用37個(gè)處理單元和128個(gè)32位寄存器，每個(gè)時(shí)鐘周期可最多處理5條指令。因此，以300MHz的時(shí)鐘速度，每秒鐘最多可執行100億次操作。
其集成式內存控制器可以操作處理16MB到256MB的統一標準型DDR SDRAM內存系統。以最高400MHz的時(shí)鐘速度使用32位寬數據，數據率最高可達1.6Gbps。
如上所述，兼容各種編解碼器和格式標準是必需的。
TriMedia內核可兼容所有主流的音頻和視頻標準，包括MPEG-2、MPEG-4、DV、RealNetworks和DivX-5。對于音頻應用，它提供八進(jìn)制的數字音頻輸入及S/PDIF(杜比數字)輸入和輸出。其他幾項特性包括：
1. 針對DVD播放功能的32位、33MHz集成式DVD解擾器；
2. 帶集成PCI總線(xiàn)仲裁器的MHz PCI 2.2接口，最多4個(gè)主接口；
3. 16個(gè)專(zhuān)門(mén)的通用I/O針腳，適合用作軟件I/O針腳、外部中斷針腳、用于系統事件計時(shí)器/計數器的時(shí)鐘源/門(mén)，以及模擬高速串行協(xié)議；
4. 各種視頻功能。
RISC內核
RISC內核用作控制器使其功能更為通用。但是，因外圍設備很多而且要求苛刻，其性能并不能縮水。RISC內核可運行操作系統、執行某種應用軟件、監控系統調試情況，通常還會(huì )處理圖形用戶(hù)界面(GUI)。
它還控制I/O塊，例如UART、USB內核和藍牙內核，并處理所有內存管理。
通常選擇32位內核，例如ARM926EJ(時(shí)鐘速度為150MHz或更高，并具有多管道和高速緩存相當大等架構特性)，與多數SoC上的DSP共同分擔CPU任務(wù)。
ARM926EJ結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。
集成化平臺
將DSP和RISC核心以及RTOS與流媒體軟件架構集成在一起的平臺策略，似乎是車(chē)載信息娛樂(lè )系統必然的選擇。不論對每個(gè)組件，還是對平臺，娛樂(lè )系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)都極為關(guān)鍵。
例如，SoC平臺(如飛利浦半導體公司的Nexperia汽車(chē)平臺)可接收、解碼、后期處理并顯示具有不同格式的多個(gè)視頻數據流，包括支持無(wú)線(xiàn)電、多通道音頻和視頻源。
為處理流媒體，需進(jìn)行以下架構創(chuàng )新：
1. 采用高級通信和同步技術(shù)的統一標準內存架構；
2. 確保系統可預測性、易于編程、與ISV協(xié)同工作及所承諾的實(shí)時(shí)行為的基礎設施架構；
3. 與硬件架構互補的軟件架構。
在Nexperia汽車(chē)平臺中，ARM內核處理高級OS、控件和應用軟件。TriMedia內核處理無(wú)線(xiàn)電接收所需的音頻和信號處理，以及視頻(如果適用)的壓縮和解壓縮，及其他數據密集型處理任務(wù)。兩個(gè)CPU都是單一集成系統的一部分。
共享統一的內存使其可以有效地通信，以簡(jiǎn)單的方式共享數據，并可大幅降低內存成本——對于非常占用內存的應用程序效果顯著(zhù)。
每個(gè)處理器內核幾乎可以尋址任何外圍設備——但每個(gè)外圍設備都分配給其中一個(gè)內核的任務(wù)域。這樣，通過(guò)分離應用中的問(wèn)題(流媒體與控制任務(wù))，可保證汽車(chē)應用程序實(shí)時(shí)行為的整體系統性能。
在高層級角度，Nexperia汽車(chē)架構包括三個(gè)任務(wù)域(參見(jiàn)圖2)。主干是基礎架構，其將外部SDRAM和SoC外圍設備連接，以實(shí)現高處理量和低延遲訪(fǎng)問(wèn)。
剩余兩個(gè)域是ARM基礎架構，其將ARM內核連接到其域中的外圍設備。TriMedia內核采用相同的方法。這使得處理器無(wú)需多余的干預，即可執行特定域處理。此外，該基礎架構包括連接ARM和TriMedia總線(xiàn)的交叉橋，使每個(gè)處理器的內存映射I/O訪(fǎng)問(wèn)能夠控制或觀(guān)察到所有外圍設備的狀態(tài)。
應用圖表中定義了不同CPU之間的通信和流路徑。它由流框架提供支持，并根據平臺要求的處理類(lèi)型進(jìn)行配置。根據當時(shí)正在處理的數據類(lèi)型，可以動(dòng)態(tài)創(chuàng )建、連接、配置及破壞專(zhuān)用的信號處理模塊。如此便可實(shí)現平臺的輕松編程和模塊的快速集成。
TriMedia流框架和ARM高級OS與基礎架構緊密連接，以確保系統的可預測性。根據函數類(lèi)型，必須針對計時(shí)要求進(jìn)行權衡折衷，例如無(wú)線(xiàn)電和TV接收的硬實(shí)時(shí)狀況、視頻和媒體支持功能的軟實(shí)時(shí)狀況，以及“盡力”獲取接入服務(wù)。
該基礎架構還能夠與獨立軟件供應商(ISV)協(xié)同工作，并保證實(shí)時(shí)行為。這種穩健性在汽車(chē)領(lǐng)域是不可或缺的。
Nexperia平臺實(shí)際上早就參與了下一代DSP/RISC SoC的研究發(fā)展，其將信號處理分派給多個(gè)內核，每個(gè)內核都由專(zhuān)門(mén)的硬件加速器提供支持，這些加速器均由設計者使用高級編程語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)進(jìn)行軟件配置。
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