多媒體功能豐富的SoC芯片技術(shù)與應(yīng)用

目前，便攜式設(shè)備中的應(yīng)用正日益豐富。隨著拍照、音樂(lè)、電影、可視電話、移動(dòng)電視、3D游戲、定位服務(wù)、Web瀏覽、Email、即時(shí)通信、電子支付等各種應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)著便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力以超“摩爾定律”的速度增長(zhǎng)。在高端的便攜式設(shè)備中（比如智能手機(jī)、硬盤(pán)式PMP等），一般會(huì)有一顆應(yīng)用處理器。這些處理器為日新月異的應(yīng)用提供運(yùn)行平臺(tái)和強(qiáng)大動(dòng)力，并為設(shè)備廠商提供至關(guān)重要的產(chǎn)品差異化。據(jù)權(quán)威市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)分析，2005年至2009年，應(yīng)用處理器的復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)48%；到2009年，中國(guó)應(yīng)用處理器的銷(xiāo)售額將達(dá)到36億美元。

上海杰得微電子有限公司的Z228芯片正是一款典型的應(yīng)用處理器，它采用 ，核心電壓為1.2V，I/O電壓為2.5/3.3V，而封裝為441-TFBGA。從圖1可以看出，Z228芯片外觀比人民幣5角硬幣還要略小一些。

圖1：Z228芯片實(shí)物圖。/I》

你可以想象Z228就是一塊超小的筆記本電腦主板（不帶DRAM和硬盤(pán)等），加上顯示屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、網(wǎng)口和其它外設(shè)，它就變成了一臺(tái)袖珍筆記本電腦。這正體現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的概念。事實(shí)上，Z228正是一款高集成度的SoC芯片，兼具硬件的高性能、低成本和軟件的靈活性。其模塊框圖如圖2所示。

從圖2可以看出，該芯片軟件的靈活性主要由ARM926EJ內(nèi)核體現(xiàn)。目前幾乎所有的應(yīng)用處理器都采用ARM內(nèi)核，從某種意義講，ARM在便攜式終端領(lǐng)域可被認(rèn)為是事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，在互聯(lián)網(wǎng)上可以下載到很多兼容ARM指令集的軟件。芯片中硬件的高性能、低成本主要由MPEG-4引擎和圖像處理引擎來(lái)體現(xiàn)。視頻編解碼運(yùn)算和圖像處理采用全硬件實(shí)現(xiàn)，從而使ARM內(nèi)核的負(fù)擔(dān)大大減輕，終端的電池續(xù)航時(shí)間得以顯著延長(zhǎng)。采用硬件方案的另一好處是無(wú)需自主開(kāi)發(fā)或從第三方購(gòu)買(mǎi)多媒體編解碼軟件，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

以下將介紹Z228芯片的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用。

1. ARM926EJ內(nèi)核

Z228采用了ARM9系列中最高端的ARM926EJ處理器內(nèi)核，在0.13um工藝下內(nèi)核主頻可達(dá)300MHz。它專為多任務(wù)的移動(dòng)應(yīng)用軟件而設(shè)計(jì)，兼顧高性能和低功耗的要求。在該內(nèi)核的支持下，Z228能流暢地運(yùn)行音頻、視頻、圖像、2D圖形、Java 3D游戲等多媒體應(yīng)用軟件。

圖2：Z228芯片功能方框圖。

Z228中的ARM926EJ內(nèi)核包含16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，具有TCM接口。內(nèi)存管理單元（MMU）支持WinCE、Linux等嵌入式OS。Z228采用矩陣式的AMBA總線（MAB），為高吞吐量的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供充足的帶寬。ARM926EJ采用ARMv5TEJ指令集，后向兼容ARMv4指令集，并支持流行的ARM開(kāi)發(fā)調(diào)試體系，能最大程度地保護(hù)終端設(shè)備廠商的軟件投資。

Z228支持ARM的JazelleTM加速技術(shù)，可大大提高Java程序的運(yùn)行速度，并保持極低的功耗。MOVE協(xié)處理器通過(guò)實(shí)現(xiàn)SAD引擎，使得視頻編碼的效率提高50%以上。

2. MPEG-4編解碼引擎

Z228內(nèi)置MPEG-4/H.263的全硬件編解碼引擎，在進(jìn)行VGA@30fps的全雙工編解碼時(shí)，ARM926EJ的負(fù)荷極低（小于5%），可流暢運(yùn)行操作系統(tǒng)和其它應(yīng)用程序。與市面上主流的僅支持CIF尺寸的芯片相比，Z228的視頻性能更具優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行碼率高達(dá)8Mbps的實(shí)時(shí)解碼時(shí)，畫(huà)面沒(méi)有停頓感。另外，高質(zhì)量VGA錄像與CIF相比，在PC上回放時(shí)具有更大的圖像畫(huà)面，輸出到電視的效果也更出色。

其全硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)使得軟件干預(yù)極少，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。該引擎采用獲得專利的運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)，非常省電，在VGA@30fps全雙工編解碼時(shí)，功耗低于120mW。

圖3：無(wú)防錯(cuò)的解碼圖像。圖4：Z228的解碼圖像。

為了在低碼率傳輸條件下提供優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，該引擎具有視頻防錯(cuò)的功能，包括條帶重同步（Slice resynchronization）、數(shù)據(jù)分割（Data partition）、可逆變長(zhǎng)編碼（RVLC）和頭擴(kuò)展碼（HEC）等，顯著地改善了無(wú)線環(huán)境下視頻傳輸?shù)聂敯粜?。?duì)比圖3和圖4，即可顯示Z228的防錯(cuò)技術(shù)在改善畫(huà)質(zhì)方面的優(yōu)越性能。

Z228還內(nèi)置高性能的全硬件視頻后處理引擎，支持色度空間轉(zhuǎn)換、任意尺度圖像縮放、去塊/去環(huán)濾波、亮度/對(duì)比度/飽和度校正、抖動(dòng)（Dithering）、圖像掩模、畫(huà)中畫(huà)等功能。解碼后的視頻圖像經(jīng)該引擎處理后直接上屏，無(wú)須CPU干預(yù)，在不增加功耗的前提下，實(shí)現(xiàn)視頻的流暢播放。

3. 視頻接口加速引擎

Z228內(nèi)置視頻接口加速引擎，采用了杰得專利的可配置圖像處理管道技術(shù)，包含EBBI插值還原、AWBA白平衡調(diào)節(jié)、IBCSA圖像校正、Gamma色彩校正、HPFS數(shù)字變焦、ADNR去噪、DES邊緣增強(qiáng)等模塊。該加速引擎通過(guò)CMOS/CCD圖像傳感器接口電路，可與市場(chǎng)上主流的CMOS/CCD傳感器模組連接，支持RAW、RGB、YUV等多種輸入格式。Z228集成了高質(zhì)量的JPEG編解碼模塊，可勝任高達(dá)1，600萬(wàn)像素的靜態(tài)圖片的拍攝。電子取景和屏上菜單功能也由硬件完成。

圖5：Z228芯片的軟件架構(gòu)。

此外，該加速引擎還具備CCIR656/601輸入輸出接口，方便與電視接口相連，提供電視錄制和電視輸出等頗受歡迎的娛樂(lè)性應(yīng)用。

4. 外設(shè)接口

作為一款高集成度的SoC芯片，Z228內(nèi)置了多種硬件接口，不僅能給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者帶來(lái)諸多方便，而且能有效降低產(chǎn)品的成本和減小產(chǎn)品的體積。

Z228支持雙屏顯示：高達(dá)SVGA（800x600）分辨率的24位真彩的主液晶屏，另帶一個(gè)智能LCD模塊，作為副屏與主屏同時(shí)工作。Z228支持觸摸屏，便于開(kāi)發(fā)PDA、學(xué)習(xí)機(jī)和高端智能手機(jī)。

Z228內(nèi)置了USB OTG接口，使得產(chǎn)品不僅能便捷地與PC主機(jī)及其周邊設(shè)備進(jìn)行通訊，而且能方便地連接USB存儲(chǔ)設(shè)備、USB打印機(jī)或其它支持USB協(xié)議的移動(dòng)設(shè)備。

圖6 ：用于Z228芯片的開(kāi)發(fā)板。

針對(duì)移動(dòng)設(shè)備對(duì)大容量存儲(chǔ)卡的要求，Z228集成了SD/CF/PCMCIA接口，支持高達(dá)4GB容量的擴(kuò)展。

Z228還內(nèi)置了其它外設(shè)接口，使之可與2G/2.5G/3G基帶芯片、藍(lán)牙控制器、以太網(wǎng)芯片、模擬音頻編解碼器、電視編碼器、紅外收發(fā)器、微硬盤(pán)等各種設(shè)備互聯(lián)，開(kāi)發(fā)出具有差異化的產(chǎn)品。

5. 嵌入式軟件

在SoC研發(fā)中，嵌入式軟件占有非常重要的地位。它體現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，并充當(dāng)用戶和硬件之間的橋梁，是決定產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵。Z228的嵌入式軟件采用了可分層的彈性架構(gòu)，如圖5所示。

硬件抽象層包括板級(jí)支持包（BSP）、驅(qū)動(dòng)程序和診斷調(diào)試工具。BSP由啟動(dòng)代碼（Bootloader）和硬件配置文件組成，提供系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的軟件環(huán)境。硬件抽象層在邏輯上把軟硬件模塊的耦合度降到最低，便于加快軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，縮短開(kāi)發(fā)周期。OS層提供對(duì)主流的嵌入式操作系統(tǒng)的支持，比如WinCE5.0、Linux2.6.15。協(xié)議層主要包含必要的中間件，如SIP、RTP、RTSP、多媒體庫(kù)等。由協(xié)議層抽象出若干API，供應(yīng)用層調(diào)用。

從硬件抽象層到應(yīng)用層構(gòu)成了Z228的軟件開(kāi)發(fā)包。它遵循模塊化的設(shè)計(jì)原則，在結(jié)構(gòu)上具有可擴(kuò)展性和靈活性。針對(duì)不同的設(shè)備和應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，以成本和性能之間取得平衡。

6. 應(yīng)用舉例

基于Z228芯片，杰得提供接口豐富的系統(tǒng)板和開(kāi)發(fā)包，如圖6所示。以此為基礎(chǔ)，研發(fā)人員能夠快速地開(kāi)發(fā)出功能各異的產(chǎn)品。

智能手機(jī)?；赯228芯片，只需使用較少的器件，研發(fā)人員就能較快地開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的多媒體智能手機(jī)。Z228可以通過(guò)UART或68K接口與基帶芯片通信。Z228支持主流的嵌入式操作系統(tǒng)，支持高質(zhì)量的音視頻通訊，具有數(shù)碼相機(jī)/視頻攝像功能和PDA功能，并具有軟件擴(kuò)展能力。Z228實(shí)現(xiàn)了高效的電源管理，提供多種工作模式，能有效延長(zhǎng)智能手機(jī)的電池壽命。

PMP/MP4。Z228強(qiáng)大的多媒體性能和豐富的外設(shè)接口是高端融合型PMP的必備特點(diǎn)。基于Z228的PMP可外接硬盤(pán)、存儲(chǔ)卡、攝像頭模組、FM模組、藍(lán)牙模組、802.11模組，集拍照、攝像、音樂(lè)、FM收音、錄音、電視錄制和輸出、無(wú)線傳輸、數(shù)碼伴侶等諸多功能于一身。內(nèi)置的ARM926EJ處理器還可運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，支持Java游戲、Flash插件、即時(shí)通信軟件、電子圖書(shū)等，充分體現(xiàn)PMP產(chǎn)品的差異化。

視頻監(jiān)控。Z228是構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的理想選擇。其內(nèi)置的ARM9處理器和硬件視頻編解碼器有利于研制更加靈活和廉價(jià)的分布式終端設(shè)備和基于IP的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，符合視頻監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。Z228的先進(jìn)的視頻壓縮算法，能在較低帶寬下（小于700kbps）下提供良好的畫(huà)質(zhì)（大于30dB）；在低延遲模式下，端到端延遲（不計(jì)傳輸延遲）小于60ms；ARM9處理器的存在使得音視頻同步的實(shí)現(xiàn)更為方便。

可視電話。Z228可用于設(shè)計(jì)低成本的可視電話和視頻會(huì)議系統(tǒng)。使用Z228，并配合彩色圖像傳感器模塊和LCD顯示模塊，產(chǎn)品可傳送雙向的MPEG-4視頻信號(hào)。VGA尺寸的畫(huà)面，再加上低延遲模式和防錯(cuò)技術(shù)，可顯著改善用戶體驗(yàn)。ARM926EJ處理器可運(yùn)行SIP協(xié)議棧，并對(duì)視頻流的碼率進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同的信道帶寬。