多媒体应用处理器原理及应用

www.cellphonewww.cellphone 多媒体应用处理器的原理和应用（一）上海杰得微电子有限公司 什么是应用处理器MAP 的电路结构MAP 中的嵌入式CPUMAP 中的嵌入式DSPMAP 中硬件编解码器运行在MAP 上的操作系统接口和外围电路MAP 的应用MAP 的发展和未来什么是应用处理器应用处理器的全名叫最多媒体应用处理器（Multimedia Application Processor）, 简称MAP。

它是在低功耗CPU 的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路。

MAP 是伴随着智能手机而产生的，普通手机只有通话和短信收发功能，称为语音压缩无线收发机更确切一些。

它的技术核心是一个语音压缩芯片，称基带处理器。

发送时对语音进行压缩，接收时解压缩，传输码率只是未压缩的几十分之一，在相同的带宽下可服务更多的人。

智能手机上除通信功能外还增加了数码相机、MP3播放、FM 广播接收、视频图像播放等功能，基带处理器已经没有能力处理这些新加的功能。

另外视频、音频（高保真音乐）处理的方法和语音不一样，语音只要能听懂，达到传达信息的目的就行了。

视频要求亮丽的彩色图像，动听的立体声伴音，目的使人能得到最大的感官享受。

为了实现这些功能，需要另外一个协处理器专门处理这些信号，它就是应用处理器。

MAP 首先要求低功耗，这是因为MAP 用在便携式设备上，通常用电池供电，节能显得格外重要，使用者给电池充满电后希望使用尽可能长的时间。

谁也不高兴天天给手机充电，充电毕竟是既浪费时间又麻烦的事。

通常MAP 的核心电压0.9～1.2V,接口电压2.5v 或3.3v，待机功耗小于3毫瓦，全速工作时100～300毫瓦。

相比之下，65纳米工艺的低功耗计算机CPU 速龙Athlon 64 X2 4000+ 的待机功耗是61瓦，全速工作时是87瓦。

应用处理器和汽车发动机一样，工作是需要能量的，低功耗给MAP 带来的直接影响就是时钟速度降低，处理能力低下。

人人都有这种感觉：在手机上玩游戏慢得象蜗牛，屏幕菜单在阳光下看不清楚，这些缺陷就是低功耗造成的结果。

低功耗也给电源管理带来了挑战，芯片内必须设有复杂而有效的电源管理电路，时刻检测各个功能模块使用状态，把暂时没有使用的功能关闭，以节约每一微安电流。

实现低功耗还必须不断开发新的节能技术，例如新的CMOS 工艺每一千个门只耗电几十微安；Class D 放大器可以使电池寿命延长2.3倍。

www.cellphonewww.MAP 还要求体积微小，因为主要应用在手持式设备中，每一毫米空间都很宝贵。

MAP 通常采用小型BGA 封装，管脚数有300～1000个，锡球直径0.3～0.6毫米，间距0.45～0.75毫米。

由于锡球之间间距很小，引线只能经由垂直盲孔引出，印刷电路板就需要8～14层才能引出所有的连线。

为了缩小体积，外围器件通常用0402和0201的封装器件，高密度组装给PCB 设计、散热和消除电磁干扰带来很大的困难，整机性能也不如台式设备好。

图1是MAP 和PC cpu的大小比较图片。

图1：MAP 和PC cpu 的大小比较MAP 还要具备尽可能高的性能，因为人类具有追求尽善尽美的天性。

目前较前卫的智能手机已经具备了DAB、蓝牙耳机、数字电视接收、无线宽带（Wi-Fi）网络浏览、GPS 导航、3D 游戏等功能，新的功能仍在积极开发中。

PMP 多达十几种音视频格式，UMPC 直追笔记本电脑的性能。

这就对MAP 的速度和功能提出了更高的要求，现在微电子和IT 领域的最新技术统统用到了MAP 中来，例如用90和45纳米工艺提高速度和集成度，用前后台工作的双核和多核CUP 和DSP 提升性能等。

在过去的二十年里，CPU 以高速处理，丰富的软件，快捷的网络创造了超过3亿台PC 机的辉煌成就。

基带处理器＋MAP 的手机以携带方便，可随时随地通信创造了另一个3亿台的灿烂的业绩，这一切都归功于MAP 把电子设备从桌面上搬到了口袋里，从大家共享变成个人拥有。

今后它仍继续扮演着便携式设备的大脑和心脏的角色，给人们的学习、工作和生活带来方便，使人类的明天更美好。

MAP 的电路结构从表面上看MAP 是一块超大规模集成电路(VLIC)，它的工作模式分两种情况：一种是全软件模式；另一种是全硬件的模式。

工作模式决定了MAP 的结构，全软件模式是嵌入式中央处理器加数字信号处理器，即CPU+DSP 。

目前典型的嵌入式CPU 是ARM 和MIPS ，cellphone www.cellphonewww.它的作用和INTEL 和AMD 用在PC 上的CPU 是一样的，它做为一个通用的硬件平台，运行一个通用的操作系统，用软件指令来处理数据。

当然，数字化的音视频也属于数据，事实上小尺寸的视频图像（例如CIF 或QVGA ）也是用CUP 处理的。

但大尺寸的图像(例如D1或VGA)，嵌入式CPU 就没有足够快的速度处理它们，于是放在DSP 上运行。

DSP 有很高的时钟频率，优化的多级流水运算结构，每秒可执行几千万甚至上亿条指令。

运行方式和CPU 相同，输入的是软件代码，只要运算速度足够快，人眼看上去图像是连续的，就认为是能够实时处理视频代码。

DSP 的它的优点是使用非常灵活，可以支持多制式甚至是未来才能确定的制式；但缺点也是明显的，因为软件是逐条执行的，尽管速度很快，还是需要花时间的，比起硬件逻辑来仍然较慢。

对于编码结构复杂的视频制式，往往需要在速度和质量上作折衷，以满足实时的要求。

很高的时钟频率必然带来较大的功耗，而且速度越快功耗越大。

另外在DSP 运行的软件需要时间和人力去开发，周期长，成本高。

全软件MAP 的代表产品是达芬奇、iM31、OMAP1710等。

全硬件模式仍然用CPU 处理低速的数据，用专门的硬件电路处理高速的视音频信号。

硬件电路是专门为处理某种固定格式的信号设计的，运行的是视音频数字信号，不是软件代码。

只要输入端有信号，输出端立即出现处理好的信号。

由于没有计算过程，设计硬件的重点是优先考虑视音频的质量，它的优点是高品质、实时和低功耗。

但由于电路的逻辑是固定的，换一种格式不同的信号，电路就不能处理了。

全硬件MAP 的代表是z228、X900、iM21等。

图2 是X900的结构，嵌入式CPU 用的是ARM926EJ，硬件编解码器包括MPEG-4、H.264和VC-1。

接口功能包括音频、视频、图像传感器、网络、控制等。

cellphone www.cellphonewww.cellphone 图2：X900应用处理器的功能结构MAP 中的嵌入式CUPMAP 是一个智能器件，它的智能是设计者把自己的智慧通过应用软件赋予MAP 的，使用者重现这些智能的条件是MAP 中的CPU 有足够快的速度。

目前嵌入式CPU 以ARM9为主流，这一系列中最快的ARM926EJ 在 0.13微米工艺下具有266MHz 的频率。

国际上众多的MAP 内嵌了ARM926，比如TI 的OMAPOMAP730～1710系列、MARVELL 的Xscale 、Freescale 的i.MX21、NXP 的Nexperia 、ST 的Normdik 、NEC 的 MP201、Samsung 的24A20等。

这些MAP 被广泛地运用于诺基亚、摩托罗拉、索尼爱立信、TCL 、三星、LG 、夏新等国内外著名品牌手机中。

ARM 家族中最新的嵌入式CPU 是ARM11, 2006年发布的ARM1176JZF-S 的主频在90纳米工艺下超过了750MHz ，芯片面积为2.4平方毫米。

下一代ARM 在45纳米工艺下将超过1GHz 。

一些高端MAP 开始嵌入ARM11,例如OMP2420内嵌了ARM1136，它的最大工作频率可以达到330MHz 。

ARM 成功的因素是商业推广做的比较好，较早在世界范围里开展了授权模式，获得ARM 授权的芯片厂商统一采用JTAG 接口进行仿真调试，开发板和仿真器使用简便，开放性和通用性好，能得到第三方的广泛支持。

MIPS CPU 也能做到低功耗，高性能。

但内核平台的开放性不好，只支持EJTAG 仿真接口，被授权的芯片厂商很难修改接口协议，本身的技术支持做的不好，在全世界只有极少数第三方支持，因而造成目前MIPS 开发工具使用难，客户不敢高攀的局面。

计算机巨头IBM 的POWER 嵌入式CPU 也有很高的性能，但独有的绝缘硅(SOI)工艺技术阻碍了它的普及，一般的公司难以使用。

因而目前应用处理器中的嵌入式CPU 基本上是ARM 一统天下。

MAP 中的嵌入式DSPDSP 是MAP 中的另一个核心器件，它的任务是完成复杂的高速信息处理。

人类接触到的所有数据中，视频信号具有最大的信息量。

直到今天，计算机在处理文字、声音、图片这些数据时得心应手，唯独处理活动的视频图像就力不从心了。

主要原因就是活动视频包含的信息量太大，在MAP 中嵌入式CPU 不直接处理视频信号，而是用DSP 或专用硬件处理视频信号的。

DSP 芯片是一种具有特殊结构的单周期微处理器。

DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用www.cellphonewww.cellphone 来快速地实现各种数字信号处理算法。

针对处理高速信号的特点，程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据，支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

与通用微处理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相对较弱些。

TI 是DSP 领域里技术最先进的公司，它的第五代DSP 芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP 于一体的高性能DSP 芯片TMS32C80/C82等在速度上领先于其它厂商。

每年世界上生产的DSP 有6成用在手机上，应用最广泛的是TI 的第五代DSP TMS32C55X 系列。

MAP 中硬件编解码器如果要获得更好的图像质量，实时的处理速度，更高的稳定性，就需要设计专用的硬件编解码器。

目前视频编解码器标准如下：1） MPEG-4标准MPEG-4于2000年年初正式成为国际标准。

它不只是具体压缩算法，也是针对数字电视、交互式绘图应用、交互式多媒体等整合及压缩技术的需求而制定的国际标准。

它将众多的多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准的算法及工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式。

MPEG-4除采用MPEG-2视频编码的核心技术，如变换编码、运动估计与运动补偿、量化、熵编码外，还提出了一些新的有创见性的关键技术，并在第一代视频编码技术基础上进行了卓有成效的完善和改进。