基于ARM架构的Z228多媒体应用处理器

作 者：罗霖商务发展经理上海杰得微电子有限公司 上海杰得微电子是一家无晶圆半导体公司，面向全球的消费电子和通信厂商，提供先进的多媒体SoC芯片及解决方案。于2003年由硅谷企业家欧阳合博士创立，位于上海张江高科技园区。杰得已实现0.13微米工艺的SoC芯片的量产，被财富中文杂志评为2005年度最具增长潜力的酷公司之一。摘要 上海杰得微电子的Z228多媒体应用处理器是一款以266MHz的ARM926EJ CPU为核心，集成了强大的多媒体处理能力和灵活的外设接口的基于AMBA总线结构的SoC芯片。Z228是中国大陆第一款采用台积电130纳米工艺的已实现量产的商用消费电子SoC芯片。这款芯片蕴涵了丰富的多媒体元素，具有集成度高、功耗低的特点。本文将就Z228的主要的技术特点和应用进行介绍。 多媒体的概念深入人心。对于日新月异的多媒体应用，人们欣然接受，并享受其中的乐趣。嵌入式设备中的应用正日益丰富，以往在PC上才能使用的各种应用，比如拍照、音乐、电影、视频会议、移动电视、3D游戏、定位服务、Web浏览、Email、即时通信、电子支付等不断在嵌入式设备上涌现，推动着嵌入式设备的数据处理能力以超“摩尔定律”的速度增长。在以多媒体和数据处理为中心的嵌入式设备中，比如智能手机、硬盘式MP4、可视电话等，一般会有一颗应用处理器，为丰富多彩的应用提供运行平台和强大动力，并为设备厂商提供至关重要的产品差异化。据权威市场调查机构分析，2005年至2009年，应用处理器的CAGR高达48%；到2009年，应用处理器的销售额将达到36亿美元。 上海杰得的Z228芯片正是一款典型的应用处理器，它采用TSMC 130纳米工艺，核心电压1.2V，I/O电压2.5/3.3V，目前有两种TFBGA封装，分别是0.65mm球距的441管脚封装和0.8mm球距的400管脚封装。基于ARM架构的Z228多媒体应用处理器图1 Z228框图DESIGNSTRATEGIESANDMETHODOLOGIESInformationQuarterlyNumber4,Spring2006[46] Z228是一款高集成度的SoC芯片，兼具硬件的高性能、低成本和软件的灵活性，其模块框图如一。 从图1可以看出，软件的灵活性主要由ARM926EJ内核体现。目前几乎所有的应用处理器都采用ARM内核，从某种意义讲，ARM在便携式终端领域可认为是事实标准，在互联网上可以下载到很多兼容ARM指令集的软件。硬件的高性能、低成本主要由图像处理引擎、MPEG-4编解码引擎和视频后处理引擎来体现，全硬件实现的视频编解码运算和图像处理使ARM内核的负担大大减轻，终端的电池续航时间得以显著延长。硬件方案的另一好处是无需自主开发或从第三方购买多媒体编解码软件，从而缩短开发周期，降低研发成本。 以下我们将介绍Z228芯片的技术特点及其应用。ARM926EJ内核 Z228采用了ARM9系列中最高端的ARM926EJ 处理器内核，在0.13μm工艺下主频可达300MHz。它专为多任务的移动应用软件而设计，兼顾高性能和低功耗的要求。在它的支持下，Z228能流畅地运行音频、视频、图像、2D图形、Java 3D游戏等多媒体应用软件。 Z228中的ARM926EJ内核包含16KB 指令Cache和16KB数据Cache，具有TCM接口。内存管理单元(MMU) 支持WinCE, Linux和Symbian等嵌入式操作系统。它提供分离的指令和数据总线，适合于构造基于多层AHB的片上系统。Z228使用了矩阵式的AMBA总线（MAB），为高吞吐量的数据应用提供了充足的带宽。ARM926EJ采用ARMv5TEJ指令集，它后向兼容ARMv4指令集，大量现存的运行于ARM环境的软件都可直接运行，并完全支持流行的ARM开发调试体系，能最大程度地保护终端设备厂商的投资。 ARM926EJ内含增强的16x32位乘法器，一个MAC操作可在单个时钟周期内完成。它还提供16位的定点DSP指令，能显著增强众多信号处理算法和应用的性能。 Z228支持ARM的Jazelle加速技术，可以在硬件中直接执行Java的Byte-code，从而大大提高Java程序的运行速度，并保持极低的功耗。Jazelle技术是一种将二进制硬件扩展与软件解释相结合的方案，它采用硬件来实现绝大多数的Bytecode，包括大多数的逻辑与数学操作，产生常量的操作与本地变量与栈的访问，以及比较、分支与类型转换函数。与软件Java虚拟机相比，Jazelle技术可提供高达8倍的Java性能提高，同时使系统的内存使用率降低70%，这样可显著地降低功耗。以Z228为核心的的终端设备，可提供基于Java的应用和服务，比如手机上流行的三维图形游戏。 Z228通过支持ARM926EJ的MOVE协处理器，可极大地增强运动估计这类运算密集型操作的处理性能，有效减轻CPU的负荷。据分析，在运动估计算法中，SAD运算可占到全部运算量的70%，通过在MOVE协处理器中的硬件SAD引擎，与软件实现相比，视频编码的效能提高达50%以上。杰得在视频监控的方案中，充分利用了这个特点，实现了区域运动监控的功能。 另外，Z228还支持ARM的16位Thumb指令集，提高代码密度，适合于对代码存储大小限制很严格的嵌入式应用。在一般情况下，16位Thumb代码所需的存储空间约为32位的ARM代码的60% ~ 70%。 作为一款典型的SoC芯片，Z228开发平台提供了大量针对ARM9优化的软件，包括： 音频播放，比如MP3, AAC/AAC+， WMA9和CAT（杰得专利的精简编 码技术） 音频录制，比如MP3, AAC LC和 AMR-NB等 图片拍摄与浏览，JPEG编解码器 视频播放，比如WMV9，Xvid， Divx等 VoIP软件，比如G.711，G.723.1， G.729，回波抵消，RTP/RTCP/UDP/ IP协议处理和嵌入式SIP协议栈等 媒体文件格式解析与封装，包括 AVI，MP4，3GP和ASF等MPEG-4编解码引擎 Z228内置MPEG-4/H.263的全硬件全双工编解码引擎，在进行VGA@ 30fps的全双工编解码时，ARM926EJ的负荷极低( 5%)，可流畅运行操作系统和其它应用程序。这种全双工VGA尺寸的实时双向视频通信，特别适合做3G手机的视频会议和可视电话等应用。 与市面上主流的仅支持CIF尺寸的芯片相比，Z228的视频表现更具优势。在进行码率高达8Mbps的实时解码时，画面没有停顿感。另外，高质量VGA录像与CIF相比，在PC上回放时具有更大的图像画面，输出到电视的效果也更出色。 其全硬件实现的特点使得软件干预极少，提高了产品的稳定性。该引擎采用获得专利的运动估计技术，非常省电，在VGA@30fps全双工编解码时，功耗低于120mw。 为了在低码率传输的条件下提供优秀的图像质量，该引擎具有视频防错的功能，包括条带重同步(Slice resyn-DESIGNSTRATEGIESANDMETHODOLOGIESInformationQuarterlyNumber4,Spring2006[47]chronization)、数据划分(Data parti-tion)、可逆变长编码(Reversible VLC)和头扩展码(Header extension code)等，显著地改善了无线环境下视频传输的鲁棒性。以下两幅图显示了Z228的防错技术在改善画质方面的优越性能。 同时，由于采用了全硬件的编解码器，如果不计网络延迟的影响，端到端的延迟很小（60ms）。如下图所示， Z228的MPEG-4/H.263编解码的低延迟的特点，使它适合于作对于延迟非常敏感的应用，比如倒车辅助系统、可视电话、视频监控等。 为了进一步提高视频/图像显示的效果和降低CPU的负荷，Z228还内置高性能的全硬件视频后处理引擎，支持色度空间转换、任意尺度图像缩放、去块/去环滤波、亮度/对比度/饱和度校正、抖动(Dithering)、图像掩模、画中画等功能。解码后的视频图像经该引擎处理后直接上屏，无须CPU干预，在不增加功耗的前提下，实现视频的流畅播放。视频接口加速引擎 Z228内置视频接口加速引擎，采用了杰得专利的可配置图像处理管道技术，包含EBBI插值还原、AWBA白平衡调节、IBCSA图像校正、Gamma色彩校正、HPFS数字变焦、ADNR去噪、DES边缘增强等模块。该加速引擎通过CMOS/CCD图像传感器接口电路，可与市场上主流的CMOS/CCD传感器模组连接，支持RAW、RGB、YUV等多种输入格式。Z228集成了高质量的JPEG编解码模块，可胜任高达1600万像素的静态图片的拍摄。电子取景和屏上菜单功能也由硬件完成。 此外，该加速引擎还具备CCIR656/601输入输出接口，方便与电视接口相连，提供电视录制和电视输出等颇受欢迎的娱乐性应用。外设接口 作为一款高集成度的SoC芯片，Z228内置了多种硬件接口，不仅能给系统开发者带来诸多方便，而且能有效降低产品的成本和减小产品的体积。 Z228支持双屏显示：高达SVGA(800x600)分辨率的24位真彩的主液晶屏，另带一个智能LCD模块，作为副屏与主屏同时工作。Z228支持触摸屏，便于开发PDA、学习机和高端智能手机。 Z228内置了USB OTG接口，使得产品不仅能便捷地与PC主机及其周边设备进行通讯，而且能方便地连接USB存储设备、USB打印机或其它支持USB协议的移动设备。 针对移动设备对大容量存储卡的要求，Z228集成了SD/CF/PCMCIA接口，支持高达4G字节容量的扩展。 Z228还内置了其它外设接口，使之可与2G/2.5G/3G基带芯片、蓝牙控制器、以太网芯片、802.11收发器、模拟音频编解码器、电视编解码器、红外收发器、微硬盘等各种设备互联，开发出具有差异化的产品。应用举例 基于Z228芯片，杰得提供接口丰富的系统板和开发包，系统板示意图如图五所示。 在此基础上，系统厂商通过适当的裁减和扩展，能够快速地开发出功能各异的产品，比如智能手机/PDA，PMP/MP4，基于IP的视频监控，可视电话，车载多媒体等。ARM架构的开放性、灵活性和可移植性使Z228解决方案能节省系统厂商的时间和费用，并降低风险。 图六是基于Z228的智能手机系统框图，Z228作为主芯片，通过UART或内存接口与基带处理器相连进行通信。Z228运行嵌入式OS，负责多媒体处理和图2 无防错的解码图像图3 Z228的解码图像图4 Z228编解码的端到端的延迟DESIGNSTRATEGIESANDMETHODOLOGIESInformationQuarterlyNumber4,Spring2006[48]数据处理。Z228实现了高效的电源管理，支持多种工作模式，能有效延长智能手机的电池寿命。 基于Z228方案的设计可以简化工程师的工作，便于他们把现有的手机设计扩展到下一代多媒体手机之中。这种模块化图6 基于Z228的智能手机系统框图图5 基于Z228的系统图的架构对现有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。工程师可分别开发和调试基带和Z228上的应用，有效地缩短开发时间。通过采用不同的基带，该方案使得手机厂商可以将Z228子系统上的硬件和软件复用于不同的移动系统上，从而提高了灵活性，并节省研发成本。DESIGNSTRATEGIESANDMETHODOLOGIESInformationQuarterlyNumber4,Spring2006[49]