利用西橋架構(gòu)有效管理多媒體手機(jī)數(shù)據(jù)流

如今的手機(jī)正逐漸成為融合多種技術(shù)的多功能設(shè)備。它們具有互聯(lián)網(wǎng)接入、Wi-Fi連接、一體化音樂回放、GPS導(dǎo)航、高質(zhì)量數(shù)碼相機(jī)、藍(lán)牙連接等功能，并且配備有標(biāo)準(zhǔn)的PC類接口，可用于開發(fā)和增加程序。隨著手持設(shè)備集成度的不斷提高，手機(jī)設(shè)計師越來越迫切地需要將音頻、視頻、互聯(lián)網(wǎng)和導(dǎo)航服務(wù)集成到單個設(shè)備上，必須設(shè)計出具有更大存儲容量和更快速外設(shè)接口的產(chǎn)品，以便支持對日益增加的多媒體數(shù)據(jù)的處理。

手機(jī)設(shè)計師已經(jīng)在體積、功耗、功能和價格方面面臨艱巨的市場挑戰(zhàn)。對多媒體功能的需求需要更大的存儲器和更快的連接性能，這直接影響到移動設(shè)備的價格和尺寸，并限制了可選功能的范圍。雖然處理器制造工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)大約每兩年就前進(jìn)一代，但存儲器技術(shù)是以每6個月的速度在更新?lián)Q代。因此手機(jī)設(shè)計師必須在創(chuàng)建穩(wěn)定成熟的平臺和集成那些要求更大存儲器和更快接口的下一代功能之間取得平衡，努力將總體尺寸、功率和成本保持在一個合理范圍內(nèi)。

個人計算機(jī)領(lǐng)域在20世紀(jì)90年代初存在類似的趨勢，當(dāng)時與處理器連接的外設(shè)變化速度要比制造商發(fā)布新處理器的速度快得多。英特爾的解決方案是在處理器與存儲器及其他外設(shè)之間架設(shè)南橋和北橋。在手機(jī)中使用橋架構(gòu)與PC中的情況十分相似。為了區(qū)別于PC中的南橋和北橋，這種技術(shù)在手機(jī)中被稱為西橋，它給設(shè)計師提供了足夠的靈活性，使他們既能縮短設(shè)計周期，還能為最新存儲器和其他外設(shè)提供可靠、高速的接口。

移動設(shè)備的存儲要求

移動設(shè)備的內(nèi)存可傳送的數(shù)據(jù)量是有限的，但內(nèi)存可以通過在架構(gòu)中引入安全數(shù)字(SD)卡或多媒體卡(MMC)進(jìn)行擴(kuò)充，這項(xiàng)功能只需極低的額外成本，因此非常具有吸引力。

移動設(shè)備的內(nèi)存首選是NAND閃存，這種閃存具有每比特成本低、密度高和尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。NAND控制器實(shí)現(xiàn)方案將可用的NAND器件類型限定為單層單元(SLC)和多層單元(MLC)。MLC由于以同樣的價格可以提供更高的密度而越來越流行。雖然目前市面上支持NAND的移動處理器大部分支持SLC NAND，但許多處理器也在增加MLC內(nèi)存以盡可能節(jié)省成本。

圖1：隨著存儲器工藝技術(shù)發(fā)展，閃存控制器的糾錯碼(ECC)功能必須提升以維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

所有的NAND器件都需要某種控制器端處理開銷，以使器件壽命最大化。控制器必須了解存在多少壞塊(壞塊管理)，有些壞塊是制造商已標(biāo)記的，其他壞塊則是器件使用過程中逐漸變壞的。為了盡量減少后一種情況的塊數(shù)量，控制器可以采用磨損均衡技術(shù)，做到對整個存儲器件的均勻?qū)懭搿？刂破鬟€應(yīng)利用ECC狀態(tài)機(jī)來管理錯誤。對NAND管理的支持級別隨工藝節(jié)點(diǎn)而改變(NAND閃存是目前存儲器領(lǐng)域中工藝節(jié)點(diǎn)變化最快的器件之一)。

大多數(shù)移動設(shè)備架構(gòu)并沒有充分發(fā)揮NAND閃存擁有的性能和可靠性優(yōu)勢，因而不能提供應(yīng)有的深刻用戶體驗(yàn)。另外，雖然閃存密度在不斷提高，但移動處理器無法跟上。如果設(shè)計師想保持可移動和嵌入式內(nèi)存的靈活性，同時最大化設(shè)備性能，移動架構(gòu)必須快速高效地支持不斷變化的NAND閃存要求。

多媒體手機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量要求

多媒體應(yīng)用要求能夠同時在移動設(shè)備和PC上處理大量數(shù)據(jù)(PC一般用于管理下載到手機(jī)中的多媒體數(shù)據(jù))。下載通常是直接在手機(jī)和PC間通過USB電纜完成的。研究表明，用手機(jī)聽音樂的用戶中約80%通過PC下載音樂。照片、視頻和游戲也是采用相同的使用模式。要想實(shí)現(xiàn)真正的移動性，就必須具有向移動設(shè)備快速傳送數(shù)據(jù)的能力，并且在手機(jī)上提供大量的內(nèi)存空間用于存儲數(shù)據(jù)。

USB是手機(jī)和PC之間進(jìn)行通信的首選方案，因?yàn)樗€(wěn)定、協(xié)議完善而且數(shù)據(jù)速率高。雖然低速USB主要用于人機(jī)接口設(shè)備，如鍵盤和鼠標(biāo)，而全速和高速USB能夠分別以12Mb/s和480Mb/s的速率傳送數(shù)據(jù)。目前的移動處理器集成了全速USB，但全速USB對多媒體應(yīng)用所需的大量數(shù)據(jù)傳輸而言已經(jīng)不夠用了。

設(shè)計師不能坐等處理器制造商將高速USB集成入下一代器件。相反，他們使用專用的USB控制器來實(shí)現(xiàn)這些功能。遺憾的是，接口速度越快，加在主應(yīng)用處理器上的負(fù)擔(dān)就越重。

減輕處理器負(fù)載的方法之一是增加另外一個處理器來實(shí)現(xiàn)與PC的通信以及對NAND內(nèi)存的管理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是性能高，但使用第二個處理器會增加設(shè)備的價格、體積和功耗。另外一種方法是讓用戶使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)下載。然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很擁擠，而且用戶也不愿負(fù)擔(dān)額外的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入費(fèi)用，更不用說與直接和PC連接相比，這種無線連接方式速度慢、技術(shù)復(fù)雜且可靠性降低。

即使制造商努力在移動處理器中集成新的內(nèi)存和外設(shè)接口，新的接口還是層出不窮。4GB或8GB的SD卡到今年底將增加到16GB。NAND閃存則在 ECC實(shí)現(xiàn)、磨損均衡和壞塊管理方面性能越來越強(qiáng)。USB 3.0超速(4.8Gbps)規(guī)范也有望在今年完成。而設(shè)計師的挑戰(zhàn)是，面對變化日益加快的技術(shù)，移動系統(tǒng)中使用的處理器在集成和支持方面的速度太慢。

西橋架構(gòu)

十年前PC解決類似問題時采用的南橋和北橋確定了現(xiàn)在使用的處理器類型以及存儲器的類型與速度，使得處理器開發(fā)能獨(dú)立于系統(tǒng)的其他部分。北橋用來連接處理器和高速圖形總線，包含一個存儲器控制器，并連接到南橋。南橋用來連接系統(tǒng)和串行與并行I/O外設(shè)、PCI總線、板上圖形以及系統(tǒng)BIOS。

要解決手機(jī)中的數(shù)據(jù)吞吐量問題，需要搞清楚目前移動架構(gòu)中的瓶頸所在。舉例來說，手機(jī)的主處理器需要連接手機(jī)的射頻模塊，并控制LCD、鍵盤、存儲器、音頻和照相機(jī)，還要控制與PC及其他外設(shè)的連接。處理器要處理的任務(wù)非常多，因此減輕它們的負(fù)擔(dān)可以極大地提高設(shè)備性能和用戶體驗(yàn)。這樣，由于數(shù)據(jù)吞吐量提高而增加的壓力無需添加第二個處理器或增大網(wǎng)絡(luò)流量就可以得到有效減輕。

為了將數(shù)據(jù)包存儲到與其連接的存儲器，處理器必須被中斷。一旦處理器準(zhǔn)備好，它就會將數(shù)據(jù)移送到SRAM進(jìn)行緩存，然后拷貝到存儲器件中。在這個過程里，處理器可能被中斷多次以執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務(wù)。處理器內(nèi)存接口可以在USB控制器和存儲器件之間共享。這種架構(gòu)將引入多處瓶頸，并且處理器必須保持較長的工作周期。[!--empirenews.page--]

如果要提高傳送速率和功效，就必須把處理器從數(shù)據(jù)路徑中移走。另外，數(shù)據(jù)必須沒有總線沖突地從主PC經(jīng)過直接數(shù)據(jù)路徑到達(dá)存儲器。橋可以解決所有這些問題，并且不需要增加另外的處理器就能提供額外所需的功能，從而減輕了處理器存儲總線上的擁塞問題，讓處理器去處理其他任務(wù)，并斷開存儲器技術(shù)節(jié)點(diǎn)與處理器之間的聯(lián)系。

為了有別于PC中的南橋和北橋，這種架構(gòu)被稱為西橋，它能將處理器從PC和移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送路徑中解放出來，為用戶提供快速的下載功能。它還能連接最新的NAND、SD、MMC和HDD存儲器。由于橋的更替周期要比CPU短，因此西橋能更快地跟蹤這些技術(shù)(支持通過標(biāo)準(zhǔn)接口與主處理器連接)。

西橋創(chuàng)建了從主PC到大容量存儲器的直接路徑，處理器只在需要時才被中斷。西橋架構(gòu)能夠迅速跟上NAND閃存技術(shù)的發(fā)展，支持具有ECC、磨損均衡和壞塊管理功能的MLC。與增加第二個處理器相比，西橋的成本非常低。對于配備了額外的專用高速USB控制器的系統(tǒng)來說，橋架構(gòu)是一種邏輯上的升級，能以很小的額外材料成本獲得較大的收益。即使對于處理器上集成了USB的移動設(shè)備，西橋架構(gòu)提供的性能提高和功率節(jié)省效果也是相當(dāng)顯著的。