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利用西桥架构有效管理多媒体手机数据流

2009-01-17 11:19:00来源: Cypress 关键字:西桥  手机  数据流

如今的手机正逐渐成为融合多种技术的多功能设备。它们具有互联网接入、Wi-Fi连接、一体化音乐回放、GPS导航、高质量数码相机、蓝牙连接等功能,并且配备有标准的PC类接口,可用于开发和增加程序。随着手持设备集成度的不断提高,手机设计师越来越迫切地需要将音频、视频、互联网和导航服务集成到单个设备上,必须设计出具有更大存储容量和更快速外设接口的产品,以便支持对日益增加的多媒体数据的处理。

手机设计师已经在体积、功耗、功能和价格方面面临艰巨的市场挑战。对多媒体功能的需求需要更大的存储器和更快的连接性能,这直接影响到移动设备的价格和尺寸,并限制了可选功能的范围。虽然处理器制造工艺技术节点大约每两年就前进一代,但存储器技术是以每6个月的速度在更新换代。因此手机设计师必须在创建稳定成熟的平台和集成那些要求更大存储器和更快接口的下一代功能之间取得平衡,努力将总体尺寸、功率和成本保持在一个合理范围内。

个人计算机领域在20世纪90年代初存在类似的趋势,当时与处理器连接的外设变化速度要比制造商发布新处理器的速度快得多。英特尔的解决方案是在处理器与存储器及其他外设之间架设南桥和北桥。在手机中使用桥架构与PC中的情况十分相似。为了区别于PC中的南桥和北桥,这种技术在手机中被称为西桥,它给设计师提供了足够的灵活性,使他们既能缩短设计周期,还能为最新存储器和其他外设提供可靠、高速的接口。

移动设备的存储要求

移动设备的内存可传送的数据量是有限的,但内存可以通过在架构中引入安全数字(SD)卡或多媒体卡(MMC)进行扩充,这项功能只需极低的额外成本,因此非常具有吸引力。

移动设备的内存首选是NAND闪存,这种闪存具有每比特成本低、密度高和尺寸小的优点。NAND控制器实现方案将可用的NAND器件类型限定为单层单元(SLC)和多层单元(MLC)。MLC由于以同样的价格可以提供更高的密度而越来越流行。虽然目前市面上支持NAND的移动处理器大部分支持SLC NAND,但许多处理器也在增加MLC内存以尽可能节省成本。


图1:随着存储器工艺技术发展,闪存控制器的纠错码(ECC)功能必须提升以维持数据的完整性。

所有的NAND器件都需要某种控制器端处理开销,以使器件寿命最大化。控制器必须了解存在多少坏块(坏块管理),有些坏块是制造商已标记的,其他坏块则是器件使用过程中逐渐变坏的。为了尽量减少后一种情况的块数量,控制器可以采用磨损均衡技术,做到对整个存储器件的均匀写入。控制器还应利用ECC状态机来管理错误。对NAND管理的支持级别随工艺节点而改变(NAND闪存是目前存储器领域中工艺节点变化最快的器件之一)。

大多数移动设备架构并没有充分发挥NAND闪存拥有的性能和可靠性优势,因而不能提供应有的深刻用户体验。另外,虽然闪存密度在不断提高,但移动处理器无法跟上。如果设计师想保持可移动和嵌入式内存的灵活性,同时最大化设备性能,移动架构必须快速高效地支持不断变化的NAND闪存要求。

多媒体手机的数据吞吐量要求

多媒体应用要求能够同时在移动设备和PC上处理大量数据(PC一般用于管理下载到手机中的多媒体数据)。下载通常是直接在手机和PC间通过USB电缆完成的。研究表明,用手机听音乐的用户中约80%通过PC下载音乐。照片、视频和游戏也是采用相同的使用模式。要想实现真正的移动性,就必须具有向移动设备快速传送数据的能力,并且在手机上提供大量的内存空间用于存储数据。

USB是手机和PC之间进行通信的首选方案,因为它稳定、协议完善而且数据速率高。虽然低速USB主要用于人机接口设备,如键盘和鼠标,而全速和高速USB能够分别以12Mb/s和480Mb/s的速率传送数据。目前的移动处理器集成了全速USB,但全速USB对多媒体应用所需的大量数据传输而言已经不够用了。

设计师不能坐等处理器制造商将高速USB集成入下一代器件。相反,他们使用专用的USB控制器来实现这些功能。遗憾的是,接口速度越快,加在主应用处理器上的负担就越重。

减轻处理器负载的方法之一是增加另外一个处理器来实现与PC的通信以及对NAND内存的管理。这种方法的优点是性能高,但使用第二个处理器会增加设备的价格、体积和功耗。另外一种方法是让用户使用蜂窝网络来实现网络连接和数据下载。然而,蜂窝网络已经很拥挤,而且用户也不愿负担额外的数据网络接入费用,更不用说与直接和PC连接相比,这种无线连接方式速度慢、技术复杂且可靠性降低。

即使制造商努力在移动处理器中集成新的内存和外设接口,新的接口还是层出不穷。4GB或8GB的SD卡到今年底将增加到16GB。NAND闪存则在ECC实现、磨损均衡和坏块管理方面性能越来越强。USB 3.0超速(4.8Gbps)规范也有望在今年完成。而设计师的挑战是,面对变化日益加快的技术,移动系统中使用的处理器在集成和支持方面的速度太慢。

西桥架构

十年前PC解决类似问题时采用的南桥和北桥确定了现在使用的处理器类型以及存储器的类型与速度,使得处理器开发能独立于系统的其他部分。北桥用来连接处理器和高速图形总线,包含一个存储器控制器,并连接到南桥。南桥用来连接系统和串行与并行I/O外设、PCI总线、板上图形以及系统BIOS。

要解决手机中的数据吞吐量问题,需要搞清楚目前移动架构中的瓶颈所在。举例来说,手机的主处理器需要连接手机的射频模块,并控制LCD、键盘、存储器、音频和照相机,还要控制与PC及其他外设的连接。处理器要处理的任务非常多,因此减轻它们的负担可以极大地提高设备性能和用户体验。这样,由于数据吞吐量提高而增加的压力无需添加第二个处理器或增大网络流量就可以得到有效减轻。

为了将数据包存储到与其连接的存储器,处理器必须被中断。一旦处理器准备好,它就会将数据移送到SRAM进行缓存,然后拷贝到存储器件中。在这个过程里,处理器可能被中断多次以执行更高优先级的任务。处理器内存接口可以在USB控制器和存储器件之间共享。这种架构将引入多处瓶颈,并且处理器必须保持较长的工作周期。

如果要提高传送速率和功效,就必须把处理器从数据路径中移走。另外,数据必须没有总线冲突地从主PC经过直接数据路径到达存储器。桥可以解决所有这些问题,并且不需要增加另外的处理器就能提供额外所需的功能,从而减轻了处理器存储总线上的拥塞问题,让处理器去处理其他任务,并断开存储器技术节点与处理器之间的联系。

为了有别于PC中的南桥和北桥,这种架构被称为西桥,它能将处理器从PC和移动设备之间的数据传送路径中解放出来,为用户提供快速的下载功能。它还能连接最新的NAND、SD、MMC和HDD存储器。由于桥的更替周期要比CPU短,因此西桥能更快地跟踪这些技术(支持通过标准接口与主处理器连接)。

西桥创建了从主PC到大容量存储器的直接路径,处理器只在需要时才被中断。西桥架构能够迅速跟上NAND闪存技术的发展,支持具有ECC、磨损均衡和坏块管理功能的MLC。与增加第二个处理器相比,西桥的成本非常低。对于配备了额外的专用高速USB控制器的系统来说,桥架构是一种逻辑上的升级,能以很小的额外材料成本获得较大的收益。即使对于处理器上集成了USB的移动设备,西桥架构提供的性能提高和功率节省效果也是相当显著的。

关键字:西桥  手机  数据流

编辑:王程光 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2009/0117/article_1028.html
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