个人多媒体进入车载应用对SoC平台的技术要求分析

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MP3播放器、个人摄像机、数码录像机等使数百万消费者可以创建独特的个人多媒体内容组合。未来十年最重要的娱乐潮流就是信息内容的个性化。

        个人媒体资料可在各种类型的设备中存储和播放。所谓便携式个人媒体，是指消费者可随身携带这种(或这些)设备。但是便携并不代表格式和接口始终兼容。每种设备在其各自的市场获得了成功，但各种设备之间通常极少实现标准化。

        随着便携式媒体从家庭走向汽车，也随之提出了一个重大的技术挑战。传统的车载娱乐系统(某种程度上以“硬连线”方式进入类似的传统格式和接口)将如何应对它们所面临的媒体种类激增的现状呢？

        答案就是：它们将无能为力。至少短期内如此。

驾驶员希望使用方便

        消费者利用高品质的音响和视频显示器来增强视觉和听觉体验时，若格式和接口不兼容就会造成无法使用。

        在家庭应用中，此问题已通过多媒体网关得以解决，比如支持多个接口和多种多媒体格式的机顶盒。而且这些多媒体服务平台还具有一定的适应性，也支持新设备和新格式。这些系统级服务器日趋基于SoC平台，如飞利浦Nexperia家庭娱乐平台。

图1：带协处理器接口的ARM内核。

         但是，构成多媒体网关的不仅仅是硬件和软件，在消费类电子产品中，至少系统专业技术同样很重要，使工程师能够以一种智能、经济有效的方式将硬件和软件整合在一起。

        消费者有大量时光是在汽车中度过的。如今，要在车载高性能音响系统中播放个人多媒体很不方便——更不用说使用正在进入汽车主流的车载视频系统。目前拙劣的解决方案充其量是特殊解决方案，最糟的是会引发危险：其不便于驾驶员操纵，尤其是驾驶员同时要观察路况的时候。

实现连接

        车载信息娱乐系统配有高品质的调谐器、放大器和扬声器。许多型号还提供高性能音响。大量的车中都在配置彩色视频显示器，尤其适合乘客使用。另外还在增加车载导航系统，这意味着车中可能有多个视频显示器。可以应对多媒体数据率的高带宽车载网络也在部署中。

        各方面看起来似乎井然有序。但由于汽车设计周期较长，汽车制造商尚未完全实现或解决个性化多媒体带来的全部影响。

        为了向个性化媒体过渡，车载多媒体平台可能也要采用一种类似于家庭平台中的方法。

        由硬盘提供所需的大容量存储空间。同样地，千兆级闪存将用于快速访问。与便携式设备连接，存取数据内容则可通过有线USB链接。这样便携式设备与汽车连接时便可充电，不会通过无线链接耗尽电池。

        最初关注的焦点是直接播放便携式设备中的内容。但是，随着嵌入式存储日益普遍以及有关内容的数字版权管理方案的出台，下载会成为极平常的需求。而且如上所述，还必需支持许多格式和接口。各种多媒体形式的激增，也要求能够支持大量的互连标准，包括通用即插即用(UPnP)、数字生活网络联盟(DNLA)、开放移动联盟(OMA)和Windows Media等等。

广播媒体——仍然重要

        除了驾驶员带入汽车的多媒体内容以外，下一代信息娱乐系统还必须能够处理常规的地面广播电台和视频、导航系统的卫星定位日期以及专用卫星网提供的数字多媒体信息。

        无线连接也要发挥作用。目前已集成了蓝牙功能，使移动电话可以“免提”连接到信息娱乐系统，而且在将来，当汽车停靠在住宅附近时，利用Wi-Fi便能够连接到住所。过去几年开始在汽车内嵌入蜂窝连接，以支持远程通信服务，例如，发生事故时自动呼叫急救服务。展望未来，这种连接应该还可以使汽车和驾驶员能够访问通过互联网提供的服务。

        对于地面广播，则需要用系统专业技术来分流多径接收，同时抑制邻近信道的信号。硬件和软件中也越来越多地利用数字信号处理功能来达到必需的性能水平。

图2：飞利浦半导体的Nexperia汽车开发平台架构。

         对于数字无线电广播，现今接收每个地面和卫星电台通常需要高级的专用芯片组和软件。下一步是在通用处理器上用软件中每个电台的信号进行处理。软件无线电是最后阶段。借助此技术，整个接收系统是通用的，并可以迅速重新配置以接收不同来源的广播信号。

        简而言之，将来的信息娱乐平台在复杂程度和带宽性能方面都给汽车电子工程师提出更高要求。

实现的方案

        由于汽车OEM的设计周期较长，因而一种成熟的车载信息娱乐系统不太可能在一个产品周期中突然成为现实，而是必定要从包括标准调谐器、模拟信号处理器和传统的光存储器(CD)的现有系统不断发展改进。

        下一步将是已在兴起的数码音频潮流，但在未来几年内，模拟信号处理将完全让位于DSP、数字IF调谐器、为数字媒体定制的电源系统以及包括大量媒体处理的存储器。

        接下来将是导航、远程通信和视频——不过目前还难以预测特定的功能如何实现。最后，信息娱乐系统将包括收音机和GPS、蜂窝和数字视频广播接收机。

        汽车电子设计工程师面临的问题相当有挑战性：未来十年左右，他们大概还需要创建多少全新的架构？

        一种观点认为，将来只存在一种配置性能很强的架构，而且同样重要的是——车载信息娱乐系统将沿着与家庭娱乐系统非常相似的道路发展，家庭娱乐系统在过去三四年一直风光无限。

下一代信息娱乐系统

        下一代车载信息娱乐系统的基本要求已很明确：高性能、配置性能强以及能够处理多个多媒体数据流。

        这些要求显然指向一组辅助属性：高性能数字信号处理、RTOS以及标准化的进程间通信(由保留裕量的软件架构来支持)。

        继家庭娱乐模式之后，硬件实现很可能是一个双核心(RISC/DSP)SoC，在上面运行RTOS及专门针对多媒体和流媒体要求而调整的第二个操作系统环境。

        首先考虑RTOS，表1列出了双核心RISC/DSP通信所需的RTOS增强功能。

        当然，流式多媒体的软件环境必须与RTOS协同操作——但是其功能却差异很大，因为软件环境是处理流媒体，而流媒体的格式和编解码器变化异于常规。

        流媒体软件架构首先是一个组件框架，要求：1.构建和连接组件的协议要统一；2.API一致或相似；3.支持组件同步；4.发展路径清晰。架构的一项关键特性是每个组件都不应该有全局意识。换句话说，I/O可以通过应用程序进行配置。

表1：RTOS要求和增强功能。

         其他属性包括针对所有组件的几项“由建构来校正(correct by construction)”特性，包括可以重新使用每个级别的组件以及每个组件的共享通信和可配置代码。飞利浦半导体公司的TriMedia Streaming Software Architecture(TSSA)就是具备这些属性的架构范例。

        流媒体也对硬件架构有特殊要求，首先是DSP。例如，VLIW架构就较理想，因为此架构一个时钟周期内可处理多条指令。

        多个多媒体数据流需要低延迟方能正常运行，使用此架构则有助于获得更高的工作效率。其他较理想的DSP特征包括：用于计算的硬连接指令、用于快速计算的大寄存器以及额外的特殊内存缓存，以增强性能。

DSP内核——需要VLIW

        十几年前，TriMedia内核就将VLIW架构引入商用IC世界，从那以后不断升级。它开始是作为媒体处理器，因此非常适用于汽车信息娱乐计算。

        TriMedia采用37个处理单元和128个32位寄存器，每个时钟周期可最多处理5条指令。因此，以300MHz的时钟速度，每秒钟最多可执行100亿次操作。

        其集成式内存控制器可以操作处理16MB到256MB的统一标准型DDR SDRAM内存系统。以最高400MHz的时钟速度使用32位宽数据，数据率最高可达1.6Gbps。

        如上所述，兼容各种编解码器和格式标准是必需的。

        TriMedia内核可兼容所有主流的音频和视频标准，包括MPEG-2、MPEG-4、DV、RealNetworks和DivX-5。对于音频应用，它提供八进制的数字音频输入及S/PDIF(杜比数字)输入和输出。其他几项特性包括：

        1. 针对DVD播放功能的32位、33MHz集成式DVD解扰器；

        2. 带集成PCI总线仲裁器的MHz PCI 2.2接口，最多4个主接口；

        3. 16个专门的通用I/O针脚，适合用作软件I/O针脚、外部中断针脚、用于系统事件计时器/计数器的时钟源/门，以及模拟高速串行协议；

        4. 各种视频功能。

RISC内核

        RISC内核用作控制器使其功能更为通用。但是，因外围设备很多而且要求苛刻，其性能并不能缩水。RISC内核可运行操作系统、执行某种应用软件、监控系统调试情况，通常还会处理图形用户界面(GUI)。

        它还控制I/O块，例如UART、USB内核和蓝牙内核，并处理所有内存管理。

        通常选择32位内核，例如ARM926EJ(时钟速度为150MHz或更高，并具有多管道和高速缓存相当大等架构特性)，与多数SoC上的DSP共同分担CPU任务。

        ARM926EJ结构简图如图1所示。

集成化平台

        将DSP和RISC核心以及RTOS与流媒体软件架构集成在一起的平台策略，似乎是车载信息娱乐系统必然的选择。不论对每个组件，还是对平台，娱乐系统专业技术都极为关键。

        例如，SoC平台(如飞利浦半导体公司的Nexperia汽车平台)可接收、解码、后期处理并显示具有不同格式的多个视频数据流，包括支持无线电、多通道音频和视频源。

        为处理流媒体，需进行以下架构创新：

        1. 采用高级通信和同步技术的统一标准内存架构；

        2. 确保系统可预测性、易于编程、与ISV协同工作及所承诺的实时行为的基础设施架构；

        3. 与硬件架构互补的软件架构。

        在Nexperia汽车平台中，ARM内核处理高级OS、控件和应用软件。TriMedia内核处理无线电接收所需的音频和信号处理，以及视频(如果适用)的压缩和解压缩，及其他数据密集型处理任务。两个CPU都是单一集成系统的一部分。

        共享统一的内存使其可以有效地通信，以简单的方式共享数据，并可大幅降低内存成本——对于非常占用内存的应用程序效果显著。

        每个处理器内核几乎可以寻址任何外围设备——但每个外围设备都分配给其中一个内核的任务域。这样，通过分离应用中的问题(流媒体与控制任务)，可保证汽车应用程序实时行为的整体系统性能。

        在高层级角度，Nexperia汽车架构包括三个任务域(参见图2)。主干是基础架构，其将外部SDRAM和SoC外围设备连接，以实现高处理量和低延迟访问。

        剩余两个域是ARM基础架构，其将ARM内核连接到其域中的外围设备。TriMedia内核采用相同的方法。这使得处理器无需多余的干预，即可执行特定域处理。此外，该基础架构包括连接ARM和TriMedia总线的交叉桥，使每个处理器的内存映射I/O访问能够控制或观察到所有外围设备的状态。

        应用图表中定义了不同CPU之间的通信和流路径。它由流框架提供支持，并根据平台要求的处理类型进行配置。根据当时正在处理的数据类型，可以动态创建、连接、配置及破坏专用的信号处理模块。如此便可实现平台的轻松编程和模块的快速集成。

        TriMedia流框架和ARM高级OS与基础架构紧密连接，以确保系统的可预测性。根据函数类型，必须针对计时要求进行权衡折衷，例如无线电和TV接收的硬实时状况、视频和媒体支持功能的软实时状况，以及“尽力”获取接入服务。

        该基础架构还能够与独立软件供应商(ISV)协同工作，并保证实时行为。这种稳健性在汽车领域是不可或缺的。

        Nexperia平台实际上早就参与了下一代DSP/RISC SoC的研究发展，其将信号处理分派给多个内核，每个内核都由专门的硬件加速器提供支持，这些加速器均由设计者使用高级编程语言(如C语言)进行软件配置。