便攜式多媒體設備的功率管理

便攜式設備的多媒體功能近年得到快速發(fā)展，性能也不斷提升，但隨之而來(lái)的功耗問(wèn)題對設計工程師帶來(lái)極大的挑戰。本文作者從系統架構、存儲器、射頻傳輸等層面詳細探討了降低便攜式多媒體設備功耗的方法和思路。
　　
支持高質(zhì)量的多媒體功能是當今2.5及3G通信設備所必備的一項重要技術(shù)。運營(yíng)商需要提高每用戶(hù)平均消費，而使用戶(hù)消費更多的音視頻及數據服務(wù)則是運營(yíng)商目前用來(lái)增加用戶(hù)平均消費的一種途徑。關(guān)鍵應用包括視頻會(huì )議、音視頻新聞剪輯、手機交互游戲等，然而用戶(hù)已開(kāi)始期望獲得類(lèi)似于其起居室的影音設備上高質(zhì)量的多媒體體驗。多媒體功能并非僅僅是遵循幾項業(yè)界標準，其質(zhì)量還必須值得用戶(hù)消費。要滿(mǎn)足這樣質(zhì)量需要有各種多媒體功能，而這些功能又會(huì )增加功耗，這對于采用有限容量電池供電的便攜式設備來(lái)說(shuō)具有一定挑戰。
　　
傳統上，智能電話(huà)等聯(lián)網(wǎng)便攜式設備的電池工作時(shí)間是信號傳輸時(shí)間的函數，因為射頻是便攜式設備中產(chǎn)生功耗最多的部分。但隨著(zhù)2.5G及3G手機能實(shí)現新的數據及多媒體應用，人們很快發(fā)現多媒體數據操作將產(chǎn)生比無(wú)線(xiàn)傳輸更多的功耗。
　　
為理解這一點(diǎn)，讓我們來(lái)看一下置于一個(gè)系統上的兩路視頻會(huì )議通信消耗功率的功能部分：攝像機(1)必須捕捉(2)用戶(hù)圖像并采用H.264等計算密集型算法將其編碼(3)，同時(shí)將輸入圖像譯碼(4)并輸出給顯示器(5)，并通過(guò)揚聲器或耳機播放話(huà)音(6)。此外，這些操作所需的密集處理比簡(jiǎn)單的語(yǔ)音處理所需的處理密度高一到兩個(gè)數量級。但如果由于電池的問(wèn)題你只能有20分鐘的通話(huà)時(shí)間，這樣的視頻會(huì )議服務(wù)有誰(shuí)會(huì )去使用呢？電池壽命作為便攜式設計考慮中的重要因素在此時(shí)變得比以往更為關(guān)鍵。

從系統架構考慮低功耗設計
　　
完全加電的單芯片架構可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調整電壓及工作頻率來(lái)管理功耗，降低工作頻率可以使器件工作于較低電源電壓上，意味著(zhù)器件將消耗更低的功率。由于器件自己并不能知道在某一特定時(shí)刻將運行何種負載，因此開(kāi)發(fā)商可以通過(guò)模型來(lái)仿真系統，并通過(guò)軟件機制來(lái)管理功率，。
　　
單芯片架構的一個(gè)缺點(diǎn)是處理器必須能滿(mǎn)足系統最大負載情況的處理。由于用戶(hù)只是偶爾調用全部系統資源，這意味著(zhù)處理器的各部分都在消耗功率，而處理器的所有功能很少被同時(shí)全部使用。例如，密碼加速器引擎即使沒(méi)有數據加密也在消耗功率。許多便攜式應用的處理器，例如意法半導體的Nomadik應用處理器等，都能通過(guò)讓你關(guān)掉器件目前不用的部分來(lái)降低功耗。對于擁有多個(gè)加速引擎的設備，例如那些必須采用多媒體處理器的設備等，這將有效地提高效率。關(guān)掉器件的部分組成電路比管理頻率及電壓更加容易，但你會(huì )發(fā)現很難掌握實(shí)際功耗，因為你必須進(jìn)行精細的控制。當然，采用低功耗外設也能有效降低功耗。例如，你可以通過(guò)選用功耗較低的照相機來(lái)節省功率。
　　
像這樣在系統層面上成功地管理功率，要求在你的設計中擁有良好的連通性及接口靈活性。如果你不得不通過(guò)增加額外的芯片來(lái)使用功耗較低的顯示器或揚聲器，則這些額外的芯片已經(jīng)消耗掉了一部分你可能節省的功率。集成在你核心設計中的接口可創(chuàng )造一種能使你方便地增加或去除外圍器件的中心架構(見(jiàn)圖1)，這種靈活性同時(shí)也讓你能用同樣的基本架構來(lái)設計出系列產(chǎn)品線(xiàn)。例如，你可以根據不同應用來(lái)分別采用LCD單顯、高分辨率彩顯或觸摸屏等。從理論上講，你只須改變內部驅動(dòng)程序就可實(shí)現你的不同設計選項。
　　
靈活性也能擴展至架構中的處理單元。多媒體標準經(jīng)常變化，而且應用本身也在以一種難以預期的方式發(fā)展，支持可編程對于保持與未來(lái)標準、以及采用該標準的內容的兼容性非常重要，但必須以硬件加速來(lái)實(shí)現高質(zhì)量播放。例如以專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現MPEG4可在一定程度上減少系統成本，但必須以犧牲系統可升級性及增加設備尺寸與功耗為代價(jià)。

而使用外圍器件則可用中心架構來(lái)保留最大的靈活性及處理能力，在這種架構內，多媒體處理既不是用硬件來(lái)實(shí)現也不是用純軟件使處理速度減慢，而是由各種編解碼器的加速引擎支持。例如，目前的視頻會(huì )議方案采用H.263標準，但轉向H.264將是大勢所趨。由于H.264標準具有更高的復雜性，故H.263專(zhuān)用器件將不能支持新的標準。
　　
軟件設計面臨的挑戰
　　
可擴展性不能僅僅是增加器件成本。軟件是電話(huà)制造投資中最大的一塊。軟件必須能適應擁有各種屏幕尺寸、位于不同方向上的各種分辨率攝像機，以及要求用各種編解碼器來(lái)輸出不同圖像質(zhì)量的設備(見(jiàn)圖2)。
　　
關(guān)于創(chuàng )作值得購買(mǎi)的內容所提出的挑戰超出了本文討論的范圍，然而OEM們正面臨內容提供的更嚴峻挑戰，因為內容提供商會(huì )要求嚴格控制其知識產(chǎn)權。他們不僅要求各種數字版權管理機制、某些機密及專(zhuān)有權，同時(shí)還要求確保高質(zhì)量的回放。