可穿戴設(shè)備的幀緩沖器要求有哪些？

高清媒體消費(fèi)正在經(jīng)歷雙重增長，一是消費(fèi)者數(shù)量的增加，二是向更加高清的內(nèi)容過渡。增長動(dòng)力來自日益普及、速度越來越快的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)以及移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等）的爆炸式增長。因此，當(dāng)今的很多可穿戴設(shè)備都能處理高清媒體的消費(fèi)。

即使按照最保守的估計(jì)，到2020年，市場對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT） 和可穿戴設(shè)備的需求將增長三倍。這意味著全球?qū)⒂?00億件設(shè)備。這將催生對(duì)新一代顯示器驅(qū)動(dòng)器和幀緩沖器（一種與傳統(tǒng)顯示器中所使用的內(nèi)存不同的內(nèi)存）的需求。雖然嵌入式RAM能夠滿足初代可穿戴設(shè)備的需要，但當(dāng)今的高清和大型可穿戴顯示器需要大得多的幀緩沖內(nèi)存。這些要求不同于傳統(tǒng)的PC和電視顯示器，因?yàn)樗鼈兪褂秒姵?a target="_blank">供電，能效是主要的設(shè)計(jì)約束條件。大多數(shù)最新的可穿戴設(shè)備將具備極高的空間效率和能效，以至于它們將能在充滿電后連續(xù)工作數(shù)天甚至數(shù)周，同時(shí)還能完成各種復(fù)雜的操作。這就是我們?yōu)楹涡枰乱淮@示驅(qū)動(dòng)器的原因所在。

為了了解可穿戴設(shè)備的幀緩沖器要求，讓我們首先研究一下圖形系統(tǒng)的架構(gòu)。每一個(gè)圖形系統(tǒng)都由三個(gè)組件構(gòu)成：硬件、圖形庫和一個(gè)使用它的應(yīng)用。

圖形庫和應(yīng)用由軟件控制，而硬件則由一個(gè)幀緩沖器控制，后者是一個(gè)連續(xù)高吞吐量內(nèi)存。幀緩沖器中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素。像素強(qiáng)度由其電壓決定。

顯示器的分辨率由以下因素決定：

掃描行數(shù)

每行的像素?cái)?shù)

每個(gè)像素的位數(shù)

以1024x768 24位圖像為例，它是PC最常用的屏幕分辨率。

1024 X 768 X 24 = 18.9Mb

這是幀緩沖器支持這種顯示器所需的最小容量。盡管如此，如果它是一個(gè)具備視頻功能的動(dòng)態(tài)顯示器，僅有一個(gè)這樣容量的內(nèi)存還不夠。這給幀緩沖器提出了吞吐量要求。

對(duì)于上述分辨率下的一個(gè)每秒30幀（fps）的視頻而言，最大吞吐量是：18.9 x 30 = 566Mbps。

如上所述，幀緩沖器中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)屏幕上的一個(gè)像素。對(duì)于一個(gè)n位彩色顯示器而言，n位中的每一位是一個(gè)單獨(dú)的位平面（例如，24位色有24個(gè)位平面）。N個(gè)存儲(chǔ)單元將存儲(chǔ)每個(gè)像素的狀態(tài)，來自每個(gè)n位平面的二進(jìn)制值被加載到存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)位置。最終的二進(jìn)制數(shù)被詮釋為0到2n – 1之間的一個(gè)強(qiáng)度值，然后被一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一個(gè)0到最大電壓之間的模擬電壓值，從而實(shí)現(xiàn)2n種強(qiáng)度。

兩個(gè)因素決定了顯示器所使用的幀緩沖器類型：容量和吞吐量。增加圖像的分辨率需要更大的內(nèi)存，而增加視頻的fps需要更高的吞吐量。有兩種方法滿足這個(gè)要求：增加幀緩沖器的容量和吞吐量，或者通過增加幀緩沖器的容量降低吞吐量（例如，將前者增加一倍，將后者減半）。通過增加幀緩沖器的容量（通常是在一個(gè)芯片中集成多個(gè)幀緩沖器），我們能夠降低吞吐量，因?yàn)樾酒匦杞?jīng)歷的輸入－輸出周期減少了。例如，將容量增加一倍后，兩個(gè)幀可被同時(shí)存儲(chǔ)在一個(gè)緩沖器中，這意味著給定時(shí)間內(nèi)該緩沖器被調(diào)用/引用的次數(shù)減少了一半，因此實(shí)現(xiàn)了較低的吞吐量。因此，內(nèi)存分為兩類：高密度和高吞吐量。這方面的內(nèi)容將在本文稍后討論。

仔細(xì)觀察Nvidia和AMD的最新一代計(jì)算機(jī)圖形處理器（GPU）的規(guī)格后，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)存容量大幅增加，通常達(dá)到數(shù)個(gè)GB。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代GPU是為游戲和高清渲染應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，此外還有很多占用內(nèi)存空間的額外功能：MSAA（使用采樣頻率成倍增加緩沖器的容量）、預(yù)取、影子緩沖器、延遲渲染和特效。即使窗口滾動(dòng)等我們習(xí)以為常的功能也需要占用額外的緩沖空間。大多數(shù)游戲緩沖器采用三重緩沖（每個(gè)幀使用三個(gè)緩沖器）和HDR（正常的HDR深度是64位，而非24位）。很多這些高端GPU還支持多個(gè)高清顯示器，這意味著為每個(gè)顯示器內(nèi)置一個(gè)專用緩沖器。

但是，由于它們的顯示器較小，大多數(shù)可穿戴設(shè)備和便攜設(shè)備還不需要這些功能。理想的方法是將MCU的嵌入式內(nèi)存資源用作幀緩沖器。它將擁有最高的吞吐量，而且最容易實(shí)現(xiàn)。但是，對(duì)于可穿戴設(shè)備中的新一代顯示器而言，大多數(shù)MCU的內(nèi)存還不夠。此外，日益增高的程序復(fù)雜性要求將更大的嵌入式內(nèi)存用作MCU的一級(jí)高速緩存。對(duì)于大多數(shù)當(dāng)代可穿戴設(shè)備而言，顯示器的分辨率為QVGA（Quarter Video Graphics Array－四分之一視頻圖形陣列），而對(duì)于這些顯示器而言，以下規(guī)格將夠用：24位| 480*360 | 30fps。對(duì)于可穿戴設(shè)備的顯示器而言，它們意味著每英寸像素?cái)?shù)（ppi）達(dá)到300個(gè)。這種顯示器對(duì)內(nèi)存的要求是吞吐量為120 Mbps的4Mb內(nèi)存。但是， 未來的設(shè)備將配備分辨率高得多的顯示器，超過400 ppi，與眾多最新一代的手機(jī)相當(dāng)。對(duì)于尺寸相同的顯示器而言，日益增高的ppi意味著幀緩沖器的容量也要相應(yīng)增加。如上所述，有兩種方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)容量的幀緩沖器：吞吐量約為120 Mbps 的4Mb緩沖器或吞吐量約為30Mbps的16Mb緩沖器。在這兩種方法中，小容量緩沖器具備眾多好處－尺寸更小（芯片或CSP）、功耗更低、成本更低、選擇更多（隨著容量密度越來越大，廠商和產(chǎn)品種類會(huì)越來越少）。對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，尺寸、功耗和成本是所有設(shè)備組件的最重要的決定因素。

應(yīng)用最廣泛的幀緩沖內(nèi)存是動(dòng)態(tài)RAM（DRAM），雖然常見的最高性能的內(nèi)存是靜態(tài)RAM（SRAM）。DRAM的功耗高于SRAM，吞吐量低于后者。雖然SRAM的性能極高，是最新一代便攜設(shè)備的理想選擇，但大多數(shù)電池支持型設(shè)備并未使用它們，這是因?yàn)镾RAM的產(chǎn)品種類較少，僅有低密度產(chǎn)品，最大128Mb。SRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由6個(gè)晶體管構(gòu)成，而DRAM存儲(chǔ)單元由1個(gè)晶體管 + 1個(gè)電容器構(gòu)成。這就是SRAM在增加密度上受限的原因所在，而這已經(jīng)被證明是其最大的局限性。雖然SRAM因這個(gè)局限性未被應(yīng)用于傳統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備（PC、電視、手機(jī)等），但考慮到可穿戴設(shè)備所需的幀緩沖內(nèi)存容量較小，SRAM對(duì)于可穿戴設(shè)備而言并非壞事。此外，在這些設(shè)備中，較高的性能（較高的吞吐量等同于較低的功耗）也是SRAM的一大優(yōu)勢。

隨著對(duì)高性能尤其是低功耗的需求的歸來，曾被視為已絕跡的內(nèi)存類型－SRAM－似乎要重振雄風(fēng)。

很多領(lǐng)先的SRAM廠商推出了一系列創(chuàng)新技術(shù)，主要是為了滿足可穿戴系統(tǒng)的需求：從更高的可靠性到新的封裝形式。在高清視頻錄制和處理領(lǐng)域，賽普拉斯也有一個(gè)不同凡響的HD幀緩沖器系列。