個人多媒體進入車載應用對SoC平臺的技術要求分析
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實現(xiàn)的方案
由于汽車OEM的設計周期較長，因而一種成熟的車載信息娛樂系統(tǒng)不太可能在一個產(chǎn)品周期中突然成為現(xiàn)實，而是必定要從包括標準調諧器、模擬信號處理器和傳統(tǒng)的光存儲器(CD)的現(xiàn)有系統(tǒng)不斷發(fā)展改進。
下一步將是已在興起的數(shù)碼音頻潮流，但在未來幾年內，模擬信號處理將完全讓位于DSP、數(shù)字IF調諧器、為數(shù)字媒體定制的電源系統(tǒng)以及包括大量媒體處理的存儲器。
接下來將是導航、遠程通信和視頻——不過目前還難以預測特定的功能如何實現(xiàn)。最后，信息娛樂系統(tǒng)將包括收音機和GPS、蜂窩和數(shù)字視頻廣播接收機。
汽車電子設計工程師面臨的問題相當有挑戰(zhàn)性：未來十年左右，他們大概還需要創(chuàng)建多少全新的架構？
一種觀點認為，將來只存在一種配置性能很強的架構，而且同樣重要的是——車載信息娛樂系統(tǒng)將沿著與家庭娛樂系統(tǒng)非常相似的道路發(fā)展，家庭娛樂系統(tǒng)在過去三四年一直風光無限。
下一代信息娛樂系統(tǒng)
下一代車載信息娛樂系統(tǒng)的基本要求已很明確：高性能、配置性能強以及能夠處理多個多媒體數(shù)據(jù)流。
這些要求顯然指向一組輔助屬性：高性能數(shù)字信號處理、RTOS以及標準化的進程間通信(由保留裕量的軟件架構來支持)。
繼家庭娛樂模式之后，硬件實現(xiàn)很可能是一個雙核心(RISC/DSP)SoC，在上面運行RTOS及專門針對多媒體和流媒體要求而調整的第二個操作系統(tǒng)環(huán)境。
首先考慮RTOS，表1列出了雙核心RISC/DSP通信所需的RTOS增強功能。
當然，流式多媒體的軟件環(huán)境必須與RTOS協(xié)同操作——但是其功能卻差異很大，因為軟件環(huán)境是處理流媒體，而流媒體的格式和編解碼器變化異于常規(guī)。
流媒體軟件架構首先是一個組件框架，要求：1.構建和連接組件的協(xié)議要統(tǒng)一；2.API一致或相似；3.支持組件同步；4.發(fā)展路徑清晰。架構的一項關鍵特性是每個組件都不應該有全局意識。換句話說，I/O可以通過應用程序進行配置。
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表1：RTOS要求和增強功能。 |
流媒體也對硬件架構有特殊要求，首先是DSP。例如，VLIW架構就較理想，因為此架構一個時鐘周期內可處理多條指令。
多個多媒體數(shù)據(jù)流需要低延遲方能正常運行，使用此架構則有助于獲得更高的工作效率。其他較理想的DSP特征包括：用于計算的硬連接指令、用于快速計算的大寄存器以及額外的特殊內存緩存，以增強性能。
DSP內核——需要VLIW
十幾年前，TriMedia內核就將VLIW架構引入商用IC世界，從那以后不斷升級。它開始是作為媒體處理器，因此非常適用于汽車信息娛樂計算。
TriMedia采用37個處理單元和128個32位寄存器，每個時鐘周期可最多處理5條指令。因此，以300MHz的時鐘速度，每秒鐘最多可執(zhí)行100億次操作。
其集成式內存控制器可以操作處理16MB到256MB的統(tǒng)一標準型DDR SDRAM內存系統(tǒng)。以最高400MHz的時鐘速度使用32位寬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率最高可達1.6Gbps。
如上所述，兼容各種編解碼器和格式標準是必需的。
TriMedia內核可兼容所有主流的音頻和視頻標準，包括MPEG-2、MPEG-4、DV、RealNetworks和DivX-5。對于音頻應用，它提供八進制的數(shù)字音頻輸入及S/PDIF(杜比數(shù)字)輸入和輸出。其他幾項特性包括：
1. 針對DVD播放功能的32位、33MHz集成式DVD解擾器；
2. 帶集成PCI總線仲裁器的MHz PCI 2.2接口，最多4個主接口；
3. 16個專門的通用I/O針腳，適合用作軟件I/O針腳、外部中斷針腳、用于系統(tǒng)事件計時器/計數(shù)器的時鐘源/門，以及模擬高速串行協(xié)議；
4. 各種視頻功能。
RISC內核
RISC內核用作控制器使其功能更為通用。但是，因外圍設備很多而且要求苛刻，其性能并不能縮水。RISC內核可運行操作系統(tǒng)、執(zhí)行某種應用軟件、監(jiān)控系統(tǒng)調試情況，通常還會處理圖形用戶界面(GUI)。
它還控制I/O塊，例如UART、USB內核和藍牙內核，并處理所有內存管理。
通常選擇32位內核，例如ARM926EJ(時鐘速度為150MHz或更高，并具有多管道和高速緩存相當大等架構特性)，與多數(shù)SoC上的DSP共同分擔CPU任務。
ARM926EJ結構簡圖如圖1所示。
集成化平臺
將DSP和RISC核心以及RTOS與流媒體軟件架構集成在一起的平臺策略，似乎是車載信息娛樂系統(tǒng)必然的選擇。不論對每個組件，還是對平臺，娛樂系統(tǒng)專業(yè)技術都極為關鍵。
例如，SoC平臺(如飛利浦半導體公司的Nexperia汽車平臺)可接收、解碼、后期處理并顯示具有不同格式的多個視頻數(shù)據(jù)流，包括支持無線電、多通道音頻和視頻源。
為處理流媒體，需進行以下架構創(chuàng)新：
1. 采用高級通信和同步技術的統(tǒng)一標準內存架構；
2. 確保系統(tǒng)可預測性、易于編程、與ISV協(xié)同工作及所承諾的實時行為的基礎設施架構；
3. 與硬件架構互補的軟件架構。
在Nexperia汽車平臺中，ARM內核處理高級OS、控件和應用軟件。TriMedia內核處理無線電接收所需的音頻和信號處理，以及視頻(如果適用)的壓縮和解壓縮，及其他數(shù)據(jù)密集型處理任務。兩個CPU都是單一集成系統(tǒng)的一部分。
共享統(tǒng)一的內存使其可以有效地通信，以簡單的方式共享數(shù)據(jù)，并可大幅降低內存成本——對于非常占用內存的應用程序效果顯著。
每個處理器內核幾乎可以尋址任何外圍設備——但每個外圍設備都分配給其中一個內核的任務域。這樣，通過分離應用中的問題(流媒體與控制任務)，可保證汽車應用程序實時行為的整體系統(tǒng)性能。
在高層級角度，Nexperia汽車架構包括三個任務域(參見圖2)。主干是基礎架構，其將外部SDRAM和SoC外圍設備連接，以實現(xiàn)高處理量和低延遲訪問。
剩余兩個域是ARM基礎架構，其將ARM內核連接到其域中的外圍設備。TriMedia內核采用相同的方法。這使得處理器無需多余的干預，即可執(zhí)行特定域處理。此外，該基礎架構包括連接ARM和TriMedia總線的交叉橋，使每個處理器的內存映射I/O訪問能夠控制或觀察到所有外圍設備的狀態(tài)。
應用圖表中定義了不同CPU之間的通信和流路徑。它由流框架提供支持，并根據(jù)平臺要求的處理類型進行配置。根據(jù)當時正在處理的數(shù)據(jù)類型，可以動態(tài)創(chuàng)建、連接、配置及破壞專用的信號處理模塊。如此便可實現(xiàn)平臺的輕松編程和模塊的快速集成。
TriMedia流框架和ARM高級OS與基礎架構緊密連接，以確保系統(tǒng)的可預測性。根據(jù)函數(shù)類型，必須針對計時要求進行權衡折衷，例如無線電和TV接收的硬實時狀況、視頻和媒體支持功能的軟實時狀況，以及“盡力”獲取接入服務。
該基礎架構還能夠與獨立軟件供應商(ISV)協(xié)同工作，并保證實時行為。這種穩(wěn)健性在汽車領域是不可或缺的。
Nexperia平臺實際上早就參與了下一代DSP/RISC SoC的研究發(fā)展，其將信號處理分派給多個內核，每個內核都由專門的硬件加速器提供支持，這些加速器均由設計者使用高級編程語言(如C語言)進行軟件配置。
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