一種面向多媒體SOC的微狀態(tài)低功耗設(shè)計方法
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當(dāng)前，移動多媒體應(yīng)用在消費類電子中正變得越來越重要，然而由于受電池壽命的限制，其功耗問題也越來越突出。如何找到能量效率和服務(wù)質(zhì)量之間的平衡點，已成為當(dāng)前SOC系統(tǒng)設(shè)計中的一個熱點問題。
在SOC設(shè)計中，設(shè)計者大量重用現(xiàn)有經(jīng)過驗證的成熟IP核，對于設(shè)計一個復(fù)雜系統(tǒng)并保證其上市時間的意義重大。當(dāng)前，很多專業(yè)的IP供應(yīng)商提供了大量可供設(shè)計者選用的IP核，設(shè)計者們需要根據(jù)應(yīng)用需求，選出合適的IP核，并確定每種IP核對應(yīng)的配置。對于移動多媒體SOC的設(shè)計，為了實現(xiàn)系統(tǒng)級的優(yōu)化，SOC系統(tǒng)設(shè)計者的核心目標之一即是在保證多媒體服務(wù)質(zhì)量的同時使得系統(tǒng)代價(芯片面積和功耗)最小化。
本文對多媒體中視頻應(yīng)用的編碼特征以及負載特性進行分析，從系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化的層次，將功率管理模塊嵌入至多媒體SOC系統(tǒng)中。同時，將系統(tǒng)的運行狀態(tài)按不同的IP配置情況組合成一系列微狀態(tài)，在前人所做工作的基礎(chǔ)上，利用F-ARIMA模型預(yù)測負載，同時利用多媒體應(yīng)用中衡量服務(wù)質(zhì)量的重要指標――最后期限缺失率(deadline miss rate，DMR)作為反饋控制信息，兩者相結(jié)合的方式，實時調(diào)整多媒體SOC系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)移動多媒體SOC設(shè)計過程中的功耗優(yōu)化。
1 常用視頻編碼標準以及負載分析
在所有的視頻壓縮算法中，MPEG-x和H．26y標準正逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。這些視頻壓縮算法，帶來更高傳輸效率的同時，也帶來了終端更大的運算量。根據(jù)多媒體應(yīng)用的特征及其編碼標準，不難發(fā)現(xiàn)，并非所有多媒體視頻幀所需要的解碼時間都是一致的。以MPEG標準壓縮的幀為例，其總共由三種類型的幀構(gòu)成，分別為：內(nèi)部幀(intra)，雙向幀(bidirectional)和可預(yù)測幀(predictive)。這三種不同類型的幀，具有不同的解碼復(fù)雜度。即使是同一種類型的幀內(nèi)部，其解碼復(fù)雜度也有較大差異。顯而易見，將所有的解碼任務(wù)的實時性約束都設(shè)置為同一個標準將會導(dǎo)致系統(tǒng)始終工作于最差分支下，從而付出不必要的功耗開銷。
目前，在多媒體SOC設(shè)計過程中，針對其重要的視頻應(yīng)用的負載特性進行功耗優(yōu)化是一個非常熱點的研究問題。常見的低功耗設(shè)計技巧主要有動態(tài)電壓調(diào)整(dynamic voltage scale，DVS)和動態(tài)功率管理(dynamic power management，DPM)技術(shù)。在DVS技術(shù)中，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時，讓不同計算量的任務(wù)運行在不同的工作電壓和頻率；而DPM技術(shù)則在運行過程中，動態(tài)關(guān)閉系統(tǒng)某些空閑模塊。在眾多針對多媒體應(yīng)用進行低功耗設(shè)計的研究中，其主要思路可分為兩類。一種是將多媒體應(yīng)用的負載當(dāng)作一個隨機過程，然后采用馬爾可夫或者半馬爾可夫模型預(yù)測負載，再根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)整當(dāng)前系統(tǒng)運行狀態(tài)。如在文獻[4]中，提出了一種基于回歸方程的方式，通過系統(tǒng)當(dāng)前“工作”和“空閑”時間預(yù)測即將到來的“工作”和“空閑”時間。文獻[5]中分別利用離散馬爾可夫時間序列和連續(xù)馬爾可夫序列算法預(yù)測系統(tǒng)負載。以上這些方式都有效地降低了系統(tǒng)功耗開銷，但是其最大不足之處在于多媒體應(yīng)用的編碼方式和內(nèi)容多種多樣，無法找到一種合適的模型來適應(yīng)所有多媒體應(yīng)用。另外一方面，也有研究利用實時反饋控制的方式，來調(diào)整當(dāng)前系統(tǒng)運行狀態(tài)的方式來降低多媒體系統(tǒng)的功耗。如文獻[6]，作者提出了一種根據(jù)顯示緩存占用率作為反饋控制信息，來降低功耗的方法。
目前，使用最廣泛的視頻壓縮標準為MPEG-x(x=1，2，4)系列和H．26y，(y=1，2，3，4)系列。一般地，視頻編碼器將連續(xù)的圖像壓縮成I，B，P三種不同的幀類型。I幀的壓縮率大于P幀，P幀的壓縮率大于B幀。連續(xù)的兩個I幀之間的所有幀(不包括后一個I幀)構(gòu)成一個圖像分組(GOP)。一個GOP由I幀幀間間隔N，以及P幀幀間間隔M兩個參數(shù)決定。與此對應(yīng)，對于解碼器的解碼負載而言則有I>P>B這個規(guī)律。
即便采用同一種編碼格式，面向不同的應(yīng)用場景，多媒體應(yīng)用的負載情況也有很大區(qū)別，下面以H．264．視頻壓縮標準為例，給出一些常見格式的視頻應(yīng)用的負載情況，見表1。
根據(jù)表1的實驗結(jié)果，圖l將更形象地描述解碼器的工作過程。從圖1中可以看出，解碼器僅有兩種狀態(tài)，即高速工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)。由于解碼器運行狀態(tài)下的能量消耗計算方式為
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