采用模块化架构应用处理器扩展手机功能

在下一代多功能手机中，DSC、MP3、游戏和视频等应用百花齐放。如果只用基带芯片实现这些功能，那么将显著增加CPU的负荷并影响通信处理性能。应用处理器(AP)适合于扩展手机功能，而且采用模块化架构的AP子系统可重复用在不同移动系统制式的手机。本文将探讨对AP的要求以及AP与现有基带芯片的整合。
　　
　　大多数手机制造商会采用半导体供应商提供的参考设计方案。这种方案主要由目标代码和少量源代码组成。研发工程师难以对该方案进行修改和加入新功能。此外，基带芯片有限的资源使它不可能实现高负荷的多媒体应用，如DSC、MP3、MPEG-4、游戏和视频电话等，而这些对高端移动电话来说是必需的。
　　
　　这些制造商在参考方案的硬件和软件方面都很有经验。参考方案的质量经过验证，并在商业化产品中得到证明。它最好能在随后的产品中重复使用，而不是重新开发一切功能。为了将现有的手机设计向高端电话升级，对制造商来说，应用处理器架构是一条捷径。现有的基带系统可重复使用并连接到一个AP子系统。该子系统类似于一个模块，可连接到基带系统上。
　　
　　模块化架构
　　
　　扩展手机特性的传统方法是在基带芯片上编写并执行新应用程序。这种单芯片架构需要工程师升级基带芯片以获得更多的CPU能力。为了实现照相机功能和SD/MMC的连接就要对电路进行重新设计。基带代码要移植到新的芯片之中。现有的功能要彻底地重新验证，即使它们以前进行过测试。此外，对这种单芯片架构来说，程序代码的规模将非常大而且很复杂。这导致开发和调试的时间拉长，并最终增加开发的成本。
　　
　　通过采用模块化的AP架构，曾经占用过多CPU资源的多媒体功能应用程序可以在AP上执行。现有手机上的大部分代码和电路只需稍加修改就可重复使用。软件工程师因而可以将精力集中于开发新的应用程序。这些应用程序只需在AP上开发和调试。
　　
　　这种双处理器方案把基带工作和AP工作分开，一个处理器实现基本的电话功能，另一个处理器实现多媒体功能。基带处理器实现目前手机所做的呼叫/接听等基本的电话功能，AP处理器专用于处理高负荷的多媒体应用。这消除了由新应用的软件缺陷引起基带失效的风险。例如，新应用上一个不成对的去能/使能中断将挂起实时操作系统调度表，如果它是在单一处理器上执行的话，这将终止所有电话功能。
　　
　　基带和AP处理器之间的通信靠消息传递实现。激活或撤消新应用程序的命令以消息的格式从基带处理器传送到AP处理器。

　　
　　以模块化架构的形式，AP构成一个子系统并与基带处理器隔离开来。主LCD和子LCD连接到AP而不是基带处理器上，以便达到最佳的多媒体应用视觉性能。音频编码/解码器可以连接到基带或AP处理器上，具体做法取决于所涉及的难度。AP上的视频I/O硬件专用于照相机传感器。它以YUV格式解码照相机的输出并转换成RGB用于显示。SD/MMC卡连到AP以便在外部存储数据。片上的NAND/AND闪存可用于存储除引导加载器之外的数据和主程序。NOR闪存也可用于存储主程序和引导加载器，这取决于成本。SDRAM作为运行存储器。对处理图像数据的多媒体应用来说，它应该很大。AP子系统如图1所示。

　　
　　AP子系统的要求
　　
　　1．连接简单
　　
　　AP必须易于连接到基带处理器上。连接的最简单方式是采用一个SRAM接口。它可以灵活地连到8位和16位总线基带系统。此外，它需要与8086和68000系统总线兼容。该SRAM接口总线与AP系统总线隔离，以便基带访问AP总线和AP访问系统总线可以同时工作。
　　
　　2．“穿过”(pass through)特性
　　
　　由于LCD连到AP而不是基带处理器上，因此从基带提取图像送往LCD成为间接的动作。传统的取送方法需要两个步骤：第一步是从基带向AP发送取命令；第二步是从AP向LCD送图像数据。采用这种方法AP要处于加电状态，因而增加了功耗。而且已有的基带代码要从直接访问命令的基础上进行修改。工程师需要时间来开发、测试和纠错。
　　
　　AP处理器上的“穿过”特性使得基带处理器可以访问LCD，即使该AP处于节电模式下(见图2)。在这种模式下，不管是主LCD还是子LCD都可访问。可以“穿过”的最大器件数目设定为4。这为未来的扩展预留了空间。功耗在节电状态下达到最低。因而手机的待机时间可以最大化。有了这种直接访问特性，现有代码无需修改就可重复使用。它减轻了工程师的工作负荷并缩短了开发时间。
　　
　　3．基带引导功能
　　
　　通常，NOR闪存用于存储AP程序。它在AP提供接收引导代码功能的情况可去除，即AP从基带处理器接收引导代码(引导加载器)，随后运行该代码的情况下。通过利用这种特性，主程序可以存储在不昂贵的NAND/AND闪存上。引导加载器将主程序从数据闪存加载到SDRAM，并最终在该SDRAM上运行它。一个不同的引导加载器可用来重写/更新主程序。即使在重写期间发生异常中断，对最终产品也没有任何损害。这是因为该重写引导加载器存储在基带而非AP的闪存上。
　　
　　4．视频I/O
　　
　　AP上的视频接口硬件专用于解码照相机传感器的输出信号。它无需编写代码就可检测来自该传感器的水平和垂直信号，并且将其加码解码成行列数据。将YUV转换成RGB或者将RGB转换成YUV是靠硬件实现，不是靠软件计算。这带来速度和效率。一个SXGA分辨率照相机传感器的输出YUV格式为4:2:2，每秒15帧，这意味着每秒可处理1,280×1,024×8×15=157,286,400字节。如果靠软件来计算，这会耗费大量的CPU资源。

　　
　　5.集成基带与AP
　　
　　基带系统和AP子系统的集成类似于把一个SRAM加到基带处理器上。基带应该最多保留7个I/O端口和一个中断来控制AP。除去某些AP功能，如“基带引导”和“穿过”，可以降低对I/O的需求。
　　
　　本文小结
　　
　　手机上的各种应用将使复杂度增加。让这些应用全由基带处理器实现是困难的，甚至是不可能的。应用处理器架构简化了工程师的工作，他们可以把现有的手机设计扩展到下一代多媒体电话之中。这种模块化架构对现有手机设计方案的修改降到最低程度，使得工程师只需集中精力开发新应用。它还允许工程师分别开发并调试基带和AP上的应用，显著缩短了开发时间。通过采用不同的基带，该架构使得手机制造商可以将该AP子系统上的硬件和软件重复用于不同的移动系统上。