引言

　　智能電話與移動因特網設備 （MID） 等移動設備開始提供一系列高級功能，如類似 PC 網頁瀏覽與高清 （HD） 視頻錄制和回放、類似單反相機的數字影像和 3D 圖像功能等。為了能在外形小巧且具有超長電池使用壽命的設備中實現上述功能以及語音、SMS、藍牙® 和 GPS 等傳統電話服務，就需要融合了電源管理技術的高級處理技術來推動移動設備服務不斷更上層樓。

　　對稱多處理 （SMP） 過去一直是 PC 領域用于提升性能的一種技術，目前也開始應用于移動設備，能夠顯著提升系統的按需處理性能和電源可擴展性。德州儀器 （TI） 推出的最新 OMAP™ 4 平臺能以極低的功耗提供出色的移動計算和多媒體性能，這在一定程度上要歸功于內置的雙核 ARM® Cortex™-A9 MPCore 功能，其不僅支持 SMP 通用處理功能，而且還能與低功耗異構處理引擎協同工作，可充分滿足要求極高的多媒體需求。德州儀器 （TI） 在為移動設備推出 SMP 方面居于領先地位，積極推進新一代高性能低功耗應用的發展。

　　何謂 SMP？我們為什么需要它？

　　對稱多處理 （SMP） 廣泛應用于 PC 領域，能夠顯著提升臺式計算機的性能。SMP 能使單芯片上多個相同的處理子系統運行相同的指令集，而且都對存儲器、I/O 和外部中斷具有同等的訪問權限。操作系統 （OS） 的單份拷貝就能控制所有內核，使任何處理器都能運行所有的線程，而無需考慮內核、應用或中斷服務的區分。

　　圖 1：多重因素推動移動設備對 SMP 的需求不斷增長

　　SMP 將推動移動應用和設備不斷發展進步，而這正是目前單核解決方案所無法實現的。SMP 能激活執行任務所需的某個特定內核或多個內核，從而使 OEM 廠商能夠實現高度可擴展的性能與電源，充分滿足當今業界最流行的應用以及未來潛在的創新應用。

　　無障礙 Web 瀏覽等大量新型應用對移動設備提出了更高的峰值計算性能要求。目前的單核解決方案無法滿足這一需求，只有 SMP 才能在移動設備的空間尺寸及電源限制條件下實現上述性能需求。我們固然可通過增加單核解決方案的尺寸來滿足性能需求，但若增加功耗則對移動設備來說是不可接受的。SMP 正是滿足此類需求的唯一架構技術。

　　可以預見，高級移動應用將像現在的 PC 應用一樣復雜，而 PC 領域開發的線程技術也將有望移植到移動手持終端上。推動 PC 處理器不斷發展的挑戰（例如單內核芯片性能略有提高就需要大幅加大硅芯片技術的復雜性）也同樣推動移動手持終端轉向多內核架構。此外，在較大型的單內核解決方案上實現更高性能會使成本和復雜性直線上升，從而因更復雜的設計和驗證過程最終導致產品上市時間拖延。

　　PC 市場是促進 SMP 技術推廣的催化劑，目前許多 PC 都內置了雙核乃至四核處理器。ARM Ltd. 一直積極推動 SMP 技術向手持終端市場發展，并推出了 Cortex™-A9 MPCore 架構。為了支持最新系列的 SMP 內核，諸如 Linux 和 Symbian 等操作系統紛紛增加了對 SMP 的支持。

　　SMP 將為采用一至四核乃至更多內核的產品提供高度可擴展的產品發展規劃，滿足未來需求。SMP 高度可擴展的發展規劃可全面滿足從低到高各級設備的需求，幫助開發人員充分利用現有的軟件投資，確保推出的產品能夠迎合不同市場對各種性能級別的需求。

　　移動局限性

　　要想獲得成功，SMP 就必須克服眾多移動設備自身存在的局限問題，而尺寸、成本以及功耗屬于最顯而易見的問題。消費者期望獲得可方便地裝入口袋或錢包中的超小型移動設備，而且一次充電就能全天無憂。此外，移動設備的成本也是市場必須考慮的問題。SMP 可全面解決上述移動技術面臨的局限問題，確保設備滿足消費者的要求。SMP 將幫助高級應用提高運行效率，不過我們也必須注意，增加的內核不能在功耗方面造成消極影響。在 SMP 設備中采用新技術必須確保功耗不超過單內核的水平。

　　隨著移動手持終端開始支持過去只有 PC 才具備的 Web 瀏覽、多媒體和 WLAN 連接等功能，以及語音和藍牙等標準移動功能，用戶對性能的需求越來越高。不過，在移動環境中，提升性能不僅必須確保高效性，而且還必須根據實際需求滿足相應的功耗要求。只有根據不同的使用情況優化功耗和性能，才能最大限度地延長電池工作時間并實現最高性能。SMP 使智能電話能夠集成 PC 以及傳統電話的功能，讓單部移動設備滿足用戶對功耗與性能的需求。

　　ARM 目前在移動設備市場上占據主導地位，因而我們既需要支持傳統代碼，又需要支持功能豐富的工具。展望未來，SMP 將必須確保支持可實現正常工作的傳統代碼，同時還要節約功耗，提高性能。

　　我們必須解決的最后一個移動局限問題，就是在盡可能減小芯片尺寸的同時提供足夠大的存儲器高速緩存，以確保多內核工作不會出現死機問題。如果單內內核設備需要的高速緩存量為 N，那么多內核設備保持良好性能所需的緩存量就應為 4*N。此外，我們還要考慮數據一致性和系統存儲器一致性等其他存儲器設計問題，才能確保所有處理器都能在準確時間存取當時的數據。

　　ARM Cortex-A9 MPCore

　　圖 2：ARM® Cortex™-A9 MPCore™為移動設備實現可擴展的功率與性能

　　為了滿足移動手持設備市場對可擴展功率與性能的需求，ARM 推出了 Cortex-A9 MPCore 架構。該架構與 ARM Cortex-A8 相比，可將處理效率提高 20% （IPC），從而幫助設計人員以更低的頻率完成更多的工作。

　　Cortex-A9 MPCore 可在一個群集中支持多達 4 個內核，能夠為客戶設計產品、滿足特定需求提供高度的靈活性。Cortex-A9 MPCore 包含豐富的特性，如：

　　高效超標量管線能夠以低功耗實現優異的峰值性能；

　　NEON 媒體處理引擎可加速媒體處理功能；

　　比前代 ARM FPU 性能提高一倍的浮點單元；

　　優化的 1 級高速緩存可最大限度地降低時延與功耗；

　　Thumb®-2 技術可將存儲器要求降低 30%；

　　TrustZone® 技術支持可靠的安全應用；

　　L2 高速緩存控制器支持低時延、高帶寬存儲器存??；

　　CoreSight™ 多內核調試與跟蹤架構可在開發調試期間提高可視性。

　　Cortex-A9 MPCore 內核比 Cortex-A8 更小，在降低功耗的同時提高了處理效率。可擴展峰值性能與高級電源管理相結合，使 Cortex-A9 MPCore 性能超過了同類單內核架構，并可為多內核設計提供明顯的優勢。Cortex-A9 MPCore 不但能夠實現可擴展至多個市場的統一平臺，同時還可充分利用通用軟件開發來降低研發成本，加速產品上的市進程。

　　SMP 賦予應用與產品的優勢

　　目前，制造商希望投資于一款能夠使其在不同級別產品中充分利用與擴展、并同時滿足未來需求的平臺。SMP 能夠以真正的性能可擴展性全面滿足這一需求。與只能提高單個內核速度的前代解決方案不同，SMP 將為整個多內核實現真正的可擴展性，為每一款產品實現性能與功耗的最佳組合。

　　SMP 將允許制造商在統一的平臺上以更高的性能支持如上網本等未來產品。一旦 SMP 的軟件開發完成，設計人員便可根據未來需要添加多個處理器，而且這對軟件將保持透明。SMP 設計可為制造商滿足未來應用需求打下堅實的基礎。

　　SMP 賦予應用與產品的優勢

　　目前，制造商希望投資于一款能夠使其在不同級別產品中充分利用與擴展、并同時滿足未來需求的平臺。SMP 能夠以真正的性能可擴展性全面滿足這一需求。與只能提高單個內核速度的前代解決方案不同，SMP 將為整個多內核實現真正的可擴展性，為每一款產品實現性能與功耗的最佳組合。

　　SMP 將允許制造商在統一的平臺上以更高的性能支持如上網本等未來產品。一旦 SMP 的軟件開發完成，設計人員便可根據未來需要添加多個處理器，而且這對軟件將保持透明。SMP 設計可為制造商滿足未來應用需求打下堅實的基礎。

　　SMP 軟件的影響

　　SMP 可為各個層面的軟件大幅提高性能。對于不支持 SMP 的軟件，我們可使用操作系統任務管理器在每個內核上啟動進程來實現并行工作。并行進程執行自然會提升性能，雖然其效率不如線程級處理那么高，但也不會對應用開發人員造成更多的設計麻煩。

　　圖 3：SMP 可在軟件的進程與線程層面上提高性能

　　隨著移動設備性能的不斷提升，用戶應用的復雜性也在不斷增加，在此情況下，應用程序應更多地以并行方式進行編寫（如采用線程方式），因此，我們便可充分發揮 SMP 的真正優勢與增益。線程構成進程，不必反復返回操作系統尋求資源。應用開發人員不但要采用并行方式進行軟件設計，而且還必須注意進程中線程的互動方式。 某些應用本身就是多線程的，從而使 SMP 能夠實現更高的性能，更快的響應時間以及更出色的整體用戶體驗。如 Google 的 Chrome 等 web 瀏覽器就采用了多線程技術，因此能夠與 SMP 技術實現高度互補。預計這些 PC web 瀏覽器所使用的這種技術也將用于移動領域。 Symbian 和 Linux 移動操作系統均全面支持 SMP。這種支持針對移動環境進行了專門優化，將使所有處理器內核的單一操作系統內核映像以及調度器中的負載平衡能夠幫助確定在哪個內核上運行哪個任務或線程。 在處理原有軟件時，我們必須注意正確的任務同步，以避免系統鎖死。在 SMP 系統中，操作系統可在安排低優先級任務運行在一個不同內核上的同時，讓一個具有較高優先級的任務運行在另一個內核上。如果軟件包含不明確的同步，則會產生導致鎖死情況的錯誤判斷。通過正確使用信號量、互斥量以及自旋鎖等軟件技術，SMP 內核的編程軟件將可實現 SMP 的全部優勢。 SMP 系統上的開發與調試工具至關重要。設計人員需要進一步了解芯片情況才能緊跟軟件處理技術。在多個內核上同時運行多個線程的情況下，功能強大的新型工具將可幫助制造商快速向市場推出令人驚奇的全新產品。

　　SMP 的高級電源管理

　　SMP 提供的可擴展電源優勢可用來擴展內核頻率與工作內核的數量。Cortex-A9 MPCore 能夠分別啟用與關閉不同的內核。如果內核處于開啟狀態，則必須運行在相同的時鐘頻率下。因此，為了高效使用 SMP 內核的電源管理，必須通過測試來確定以下兩種選項的性能與功耗基準：一、在關閉其它內核的同時，以最高時鐘頻率在單個內核上全速運行進程；二、多內核同時運行進程，但運行的時鐘頻率降低。

　　SMP 采用的其它電源管理技術還包括動態電壓與頻率縮放 （DVFS），可根據所需的性能來調節匹配系統的頻率與電壓。操作系統可實現負載平衡，這也有助于改善電源管理，并幫助設計人員針對功耗來優化系統。

　　TI OMAP 4 平臺是業界率先推出的、基于 ARM Cortex-A9 MPCore 的雙內核架構之一。該架構與專業處理引擎進行了平衡，可實現無與倫比的移動多媒體性能。

　　圖 4：TI 全新 OMAP 4 平臺為移動設備帶來 SMP

　　OMAP 4 平臺的主要特性包括：

　　內核 ARM Cortex-A9 MPCore SMP 通用處理器，可提高性能與效率；

　　IVA 3 硬件加速器，可實現真正的 1080p 多標準高清錄制與回放功能；

　　影像信號處理器 （ISP） 支持高質量影像與視頻捕獲，可實現堪比 SLR 的數字高性能，捕獲 2000 萬像素的靜態影像；

　　Imagination Technologies POWERVR™ SGX540 3D 影像內核支持 3D 用戶界面，可實現更大的顯示屏、逼真的圖像以及直觀易用的觸摸屏等應用；

　　音頻后端 （ABE） 處理器可為顯著降低功耗提供虛擬低功耗音頻芯片；

　　靈活的系統支持：

　　復合型 TV 輸出

　　HDMI v1.3 輸出可驅動高清顯示屏

　　色彩豐富的更大顯示屏支持

　　外設接口：MIPI 串行攝像機和串行顯示屏接口、MIPI® SLIMbusSM、MMC/SD、USB 2.0 移動高速、UART 以及 SPI 等

　　支持各大操作系統：Linux（包括 Android 和 LiMo）、Microsoft Windows Mobile 和 Symbian；

　　45 納米移動工藝技術可提高性能與電源效率；

　　優化的電源與音頻管理配套芯片：TWL6030 和 TWL6040

　　TI 是唯一一家可為 SMP 提供所有主要移動操作系統支持的公司，這些操作系統包括 Symbian、Linux 以及 Microsoft Windows Mobile 等。OMAP 4 平臺是移動產業有關 SMP 轉型的領先解決方案，其架構專為優化 SMP 性能而精心設計。例如，我們在設計時對存儲器架構、高速緩存量以及存儲器接口等給予了充分的考慮，能夠以最低的延遲實現最佳性能。OMAP 4 配套提供的 TI 綜合軟件套件專為 SMP 編寫，可充分發揮 SMP 架構內在的處理性能增強與省電優勢。

　　OMAP 4 平臺采用市場上最先進高效的電源管理技術，可進一步節省電源。該處理器充分利用 TI SmartReflex™ 2 的電源和性能管理技術，可提供各種智能、自適應性軟硬件技術，能夠根據器件工作情況、操作模式以及溫度等動態控制電壓、頻率與電源，具體包括：

　　動態電壓與頻率縮放 （DVFS）；

　　自適應電壓縮放 （AVS）；

　　動態電源切換 （DPS）；

　　靜態漏電管理 （SLM）；

　　自適應體偏壓 （ABB）；

　　針對速度較慢器件的順向偏壓 （FBB）

　　逆向偏壓 （RBB），可為速度較快的器件減少漏電

　　OMAP 4 平臺充分利用 TI 在移動設備領域的專業知識與豐富經驗，可為當前及未來應用提供基于 SMP 的最新處理器解決方案。

　　OMAP 4 SMP 的強大功能

　　OMAP 4 SMP 的強大功能

　　圖 5：OMAP 4 SMP 可實現類似 PC 的 Web 瀏覽體驗

　　在第二個使用案例中，一位消費者正在使用手機欣賞 H.264 視頻。這種多媒體應用案例通常不適用于多線程處理技術，因此最好采用單內核工作。在本例中，OMAP 4 將兩個內核之中的一個關閉，并讓另一個內核在更高頻率下工作，從而可提供出色的多媒體內容。由于只有一個內核工作，因而可降低功耗。

　　圖 6：OMAP 4 實現出色的多媒體內容

　　結論

　　SMP 對滿足新一代移動設備的高性能與低功耗需求將至關重要。SMP 具有可擴展的功率與性能，能夠為單內核解決方案提供獨特的優勢。未來應用將更多地使用多線程技術，這將推動 SMP 成為我們的首選平臺。

　　TI 的 OMAP 4 平臺是率先提供 SMP 技術的產品，不但能夠實現可擴展的通用處理性能，同時還可提升多媒體處理領域（影像、圖像、音頻與視頻）的功能。我們必須注意，SMP 不會吸收這些多媒體領域的功能，這些多媒體領域需要可在最低功耗下實現最高性能的專門引擎。OMAP 4 可提供 SMP 的優化組合，能夠與非對稱多處理技術 （AMP） 配合工作。

　　TI OMAP 4 平臺是在移動設備中推進 SMP 技術的領先解決方案，可支持未來奇妙的應用。當前對 SMP 進行投資，將來就可實現無縫的軟件重復使用，OEM 廠商也可在各個層次的產品上實現其設計方案的擴展，并全面滿足未來的長遠需求。

　　參考文獻：

　　［1］《SmartReflex™ 電源與性能管理技術：降低功耗，優化性能》，作者：Brian Carlson 和 Bill Giolma，2008 年 2 月；

　?。?］《新一代智能電話平臺的對稱多處理技術》，作者：Steve Jahnke 與 Steve Krueger，摘自 2009 年 4 月 ARM《IQ》；

　?。?］《ARM Cortex-A9 處理器》，ARM® 2007 年 9 月。

　　重要說明：TI 及其在此所提及各子公司的產品與服務均根據 TI 標準銷售條款進行銷售。TI 建議客戶在下訂單前查閱最新最全面的產品與服務信息。對于應用協助、客戶的應用或產品設計、軟件性能或者專利侵權，請恕 TI 概不負責。有關任何其它公司產品或服務的發布信息均不構成 TI 因此對其的批準、保證或授權。

　　OMAP 與 SmartReflex 是德州儀器的商標。藍牙文字與徽標歸 Bluetooth SIG， Inc. 所有。德州儀器根據許可證使用上述標識。所有其它商標均是其各自所有者的財產。

　　作者：

　　Brian Carlson（德州儀器OMAP 平臺市場營銷經理）

　　Steve Jahnke（德州儀器OMAP 平臺負責 Symbian S60 與 Linux 的首席架構師）