基于ARM內(nèi)核的手持設(shè)備SoC

 摘    要：本文研究并開發(fā)了一款針對(duì)手持設(shè)備、內(nèi)嵌ARM7TDMI內(nèi)核的系統(tǒng)芯片。在設(shè)計(jì)這款芯片的過程中，MP3算法的軟硬件分割和芯片的低功耗設(shè)計(jì)是主要挑戰(zhàn)。本文介紹了該系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)，并著重介紹了軟硬件分割和低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片；低功耗；ARM；MP3

引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和芯片設(shè)計(jì)方法—IP重用技術(shù)的出現(xiàn)，SoC在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中已經(jīng)越來越普遍。本課題組去年啟動(dòng)了稱為Garfield的SoC項(xiàng)目。Garfield定義為一款面向中低端PDA的嵌入式處理器，支持顯示器件接口、存儲(chǔ)控制器、通訊控制器和多媒體應(yīng)用等。多目標(biāo)圓片(MPW)試驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明，Garfield基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)也符合原來的定義。
在Garfield開發(fā)過程中，克服了許多挑戰(zhàn)。首先是驗(yàn)證工作，60%以上的開發(fā)時(shí)間都是用來保證芯片沒有功能性問題。其次，低功耗對(duì)于電池供電的手持終端而言是一個(gè)關(guān)鍵問題，必須采用大量低功耗技術(shù)來保證系統(tǒng)不損耗不必要的功率和運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。第三，由于ARM7TDMI內(nèi)核的速度限制和MP3的算法復(fù)雜度，MP3軟解碼無法在基于ARM7TDMI的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播放。因此必須在芯片內(nèi)包含MP3硬件加速引擎，確認(rèn)MP3哪一部分的算法需要在硬件加速引擎中實(shí)現(xiàn)，這就需要軟硬件分割并在系統(tǒng)級(jí)評(píng)估其性能，使用最少的硬件資源實(shí)現(xiàn)MP3的實(shí)時(shí)播放。
Garfield結(jié)構(gòu)
Garfield的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其體系結(jié)構(gòu)包括CPU內(nèi)核、片上總線和其它的外設(shè)。
ARM公司不僅提供微處理器內(nèi)核，還提供各種易用的工具，比如調(diào)試工具、軟件開發(fā)包、原型樣機(jī)開發(fā)包等，其微處理器內(nèi)核以低功耗見長(zhǎng)。目前AMBA最新的版本是AMBA 3.0，但AMBA 2.0的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)而言更加成熟，并且有很多成功案例，所以選擇AMBA 2.0作為Garfield的片上總線。AMBA包含高速總線AHB和低速總線APB。AHB是為高速、高性能的外設(shè)設(shè)計(jì)的骨干總線，Garfield通過AHB把存儲(chǔ)器控制器、內(nèi)核、片上SRAM、顯示控制器、多媒體加速引擎和DMA等模塊連接起來。APB是為低速、低功耗的外設(shè)設(shè)計(jì)的，它不提供“突發(fā)”模式的數(shù)據(jù)傳輸，所有其它不需要高數(shù)據(jù)帶寬的外設(shè)都通過APB連接。在AHB和APB之間則通過一個(gè)橋(bridge)連接。
在嵌入式微處理器中，外存控制器必須支持多種不同類型的外存。此外，嵌入式設(shè)備還經(jīng)常使用一些卡(比如CF卡、MMC卡等)來備份或者擴(kuò)展存儲(chǔ)器系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一種不同于傳統(tǒng)NOR-Flash結(jié)構(gòu)的NAND-Flash，NAND-Flash具有容量大、便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此支持NAND-Flash有助于降低系統(tǒng)成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。
盡管純軟件解碼的MP3可以在28MHz的ARM7TDMI平臺(tái)上完成實(shí)時(shí)解碼，但是這類MP3解碼程序需要高度優(yōu)化的解碼軟件和大容量的零等待存儲(chǔ)器。對(duì)于Garfield這類面向中低端、低成本手持設(shè)備的嵌入式微處理器而言，要集成大容量的片上SRAM是不可能的。而在Garfield中只有20K的片上SRAM用于存儲(chǔ)常用的MP3解碼子程序、中斷服務(wù)程序等。MP3解碼之后得到的音頻數(shù)據(jù)PCM碼通過DMA傳輸?shù)紸C97控制器，最后送到片外的codec中播放音樂。
LCD在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，所以Garfield支持黑白、灰度和彩色的LCD屏。LCD控制器中內(nèi)嵌了一個(gè)優(yōu)化的灰度調(diào)制算法，因此在較低刷新頻率(68Hz)下，也可以消除灰度顯示中的“紋波”和“漂移”等不穩(wěn)定現(xiàn)象。
Garfield支持高速的USB通訊，也支持低速的串口通訊和紅外通訊。

低功耗
低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于電池供電的手持終端而言至關(guān)重要。CMOS數(shù)字電路的功耗有兩類：一是由于電路節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)電容充放電引起的動(dòng)態(tài)功耗；二是由于電路漏電流帶來的靜態(tài)功耗。在CMOS電路中，動(dòng)態(tài)功耗是功耗的主要來源，另外系統(tǒng)處于sleep模式下的靜態(tài)功耗也是影響電池壽命的一個(gè)重要因素。為了降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗，必須使得那些不需要翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)盡可能地少翻轉(zhuǎn)以節(jié)省功耗。在Garfield中使用了兩種降低動(dòng)態(tài)功耗的手段：一是關(guān)閉當(dāng)前不使用的模塊并截?cái)嗥鋾r(shí)鐘樹；二是使用門控時(shí)鐘降低節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)速率。
當(dāng)系統(tǒng)沒有用戶進(jìn)程需要服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)處于停頓(idle)狀態(tài)，但此時(shí)系統(tǒng)仍然會(huì)消耗大量的無用功耗。Garfield使用四種功耗模式(normal, idle, slow和sleep)，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用，系統(tǒng)會(huì)選擇進(jìn)入不同的功耗模式以節(jié)省功耗。如果當(dāng)前應(yīng)用需要復(fù)雜的計(jì)算或者控制，Garfield會(huì)進(jìn)入normal模式，此時(shí)所有工作模塊通過一個(gè)高速時(shí)鐘(來自于PLL)來同步其操作。當(dāng)系統(tǒng)處于該模式下時(shí)，由于高速的節(jié)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可能消耗大量的動(dòng)態(tài)功耗。如果系統(tǒng)認(rèn)為已經(jīng)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有用戶任務(wù)需要處理，Garfield則會(huì)進(jìn)入idle模式，關(guān)閉ARM7TDMI內(nèi)核，但是其它工作模塊(如LCD，觸摸屏等)仍然打開。idle模式除了節(jié)省內(nèi)核功耗外，更重要的是由于內(nèi)核關(guān)閉，它能節(jié)省大量的外存功耗。如果系統(tǒng)有一些經(jīng)常性但計(jì)算量較輕的任務(wù)，系統(tǒng)可以進(jìn)入slow模式，在此模式下，Garfield使用一個(gè)外部晶體振蕩器產(chǎn)生的低速時(shí)鐘(10MHz)。slow模式對(duì)于某些應(yīng)用來說非常有用，可以保證系統(tǒng)接收信息但又不消耗很多功耗。如果系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間沒有用戶任務(wù)， Garfield將進(jìn)入sleep模式，此時(shí)除了實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和功耗管理單元(PMU)之外的其它模塊都將被關(guān)閉，因此僅僅消耗RTC、PMU的動(dòng)態(tài)功耗和芯片的靜態(tài)功耗。功耗分析結(jié)果表明：時(shí)鐘樹要消耗大量的功耗，因此時(shí)鐘樹應(yīng)該在源頭加入門控以盡可能地降低功耗。
門控時(shí)鐘是一個(gè)可以有效降低系統(tǒng)功耗的技術(shù)，它通過抑制觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端的翻轉(zhuǎn)來降低電路功耗。Synopsys公司的Power Compiler可以自動(dòng)在門級(jí)插入門控電路，它能自動(dòng)識(shí)別RTL描述中的寄存器組(有相同使能信號(hào)的寄存器)，并使該寄存器組的時(shí)鐘信號(hào)門控。顯然如果門控更多的寄存器，則節(jié)省功耗也就越多。如果RTL描述中的寄存器組組織得比較有規(guī)則，如總線接口和FIFO，則Power Compiler會(huì)優(yōu)化得很好。門控時(shí)鐘的另外一個(gè)好處是會(huì)使芯片面積減小。當(dāng)門控時(shí)鐘技術(shù)降低功耗和面積開銷的同時(shí)，它可能引起系統(tǒng)性能下降。

MP3優(yōu)化
高音質(zhì)的MP3浮點(diǎn)軟解碼需要大量的計(jì)算，一般來說會(huì)使用浮點(diǎn)協(xié)處理器(FPU)來完成實(shí)時(shí)解碼。但是在嵌入式應(yīng)用中，F(xiàn)PU意味著大量的芯片面積開銷和系統(tǒng)成本增加。因此必須將浮點(diǎn)的MP3解碼算法變?yōu)槎c(diǎn)算法，使之能夠在一個(gè)整數(shù)內(nèi)核上運(yùn)行。
MP3解碼算法包括：Huffman解碼、反量化、反鋸齒波、立體聲解碼、離散余弦變換和子帶合成。除了Huffman解碼之外, 其它幾個(gè)子程序都需要復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，所有這些浮點(diǎn)運(yùn)算在ARM7TDMI的開發(fā)環(huán)境下都將被編譯、鏈接到浮點(diǎn)庫中。表格1顯示浮點(diǎn)MP3解碼算法需要大量的計(jì)算時(shí)間，不適合在嵌入式環(huán)境下應(yīng)用。
                               (1)
 (2)
                   (3)
由式1可知，浮點(diǎn)變量F可以由一個(gè)整數(shù)I及其指數(shù)NF來表示，因此浮點(diǎn)運(yùn)算就可以表示為整數(shù)計(jì)算及其移位，比如兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的乘法就可以表示為兩個(gè)整數(shù)乘法以及移位(如式2所示)。ARM指令集可以在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和移位操作，因此ARM內(nèi)核可以高效地執(zhí)行這類運(yùn)算。定點(diǎn)運(yùn)算的精度不僅依賴于浮點(diǎn)變量本身、也依賴于移位的位數(shù)。如果該浮點(diǎn)數(shù)太大并左移了過多的位數(shù)，則其整數(shù)表達(dá)式就會(huì)溢出，否則可能降低運(yùn)算結(jié)果精度。顯然定點(diǎn)解碼算法會(huì)帶來噪聲而降低音樂音質(zhì)(音質(zhì)可通過式3來評(píng)估)，因此選擇合適的NF對(duì)于獲得高質(zhì)量的音樂極為重要。經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化與折中，選取NF=24，可以達(dá)到87dB，接近CD音質(zhì)。
經(jīng)過定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，MP3定點(diǎn)算法只需要原來浮點(diǎn)算法的20％左右，但仍需要50ms才能解完一幀音樂(一幀音樂長(zhǎng)26ms)，因此它依然不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼。Garfield中集成了一個(gè)MP3的硬件加速引擎(MMA)以實(shí)現(xiàn)MP3的實(shí)時(shí)解碼，因此存在兩個(gè)問題：一是如何分割MP3算法，哪一部分的計(jì)算要用硬件來實(shí)現(xiàn)；二是解碼性能必須可以在高層評(píng)估、分析。
ARMulator是ARM公司提供的一個(gè)指令級(jí)模擬器，它可以在PC上模擬ARM各種處理器內(nèi)核和其它外設(shè)。盡管ARMulator不是完全節(jié)拍精度的模擬器，但是對(duì)于沒有Cache的處理器核(比如ARM7 TDMI)已足夠精確。為了評(píng)估加入MMA之后MP3定點(diǎn)算法的性能，在ARMulator中加入了一個(gè)節(jié)拍精度的MMA模型，該模型可以通過接口與模擬器通訊。經(jīng)過對(duì)算法的仔細(xì)分析，IMDCT和子帶合成中包含了大量矢量乘和矢量乘加運(yùn)算，這些矢量乘和矢量乘加運(yùn)算需要大量計(jì)算資源。因此MMA模型和ARMulator可以一起評(píng)估MP3解碼算法，表1比較了加入MMA后算法的性能改善程度，并列出了各個(gè)階段MP3的性能，包括定點(diǎn)改造、MMA加速和存儲(chǔ)器優(yōu)化。表中的樣例音樂是一段采樣率為44.1K的聯(lián)合立體聲MP3，節(jié)拍是指解碼需要的時(shí)鐘數(shù)，而解碼時(shí)間是指節(jié)拍數(shù)轉(zhuǎn)換成Garfield運(yùn)行在66MHz所耗用的時(shí)間。
通常外存(SRAM、FLASH和SDRAM)的性能很低，根據(jù)外存類型的不同，只有0.13~0.33 MIPS/MHz，而片上SRAM卻可以提供高達(dá)0.89 MIPS/MHz的性能。通過分析發(fā)現(xiàn)，指令的存儲(chǔ)器存取次數(shù)遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)，即指令需要更多的存儲(chǔ)器帶寬。為了充分利用片上SRAM，一些常用的解碼指令存放在片上SRAM內(nèi)，其它不常用的指令和數(shù)據(jù)(包括MP3文件、變量和堆棧)則存放在SDRAM內(nèi)。表1顯示了MP3性能經(jīng)過存儲(chǔ)優(yōu)化之后的改善程度，一幀MP3的解碼只需要13.85ms就可以解碼完畢。目前，進(jìn)一步的優(yōu)化，包括匯編級(jí)優(yōu)化、存儲(chǔ)器細(xì)粒度優(yōu)化等正在進(jìn)行之中。
 
結(jié)語
本文描述了Garfield中的低功耗技術(shù)和MP3優(yōu)化技術(shù)，其中系統(tǒng)級(jí)功耗控制和門控時(shí)鐘有效地降低了電路功耗；而MP3的解碼算法在保證音樂質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡量?jī)?yōu)化其性能，使Garfield可以完成實(shí)時(shí)解碼?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 劉新寧等. Garfield User Manual version 0.9
2 殷 宏、張永新. Garfield Power Analysis