中心議題：

• 多媒體中視頻應用的編碼特征
• 多媒體中視頻應用的負載特性分析

解決方案：

• SOC係統增加了一個功率控製模塊(PCM)
• 采用反饋機製來控製功率

當dang前qian

，移yi動dong多duo媒mei體ti應ying用yong在zai消xiao費fei類lei電dian子zi中zhong正zheng變bian得de越yue來lai越yue重zhong要yao，然ran而er由you於yu受shou電dian池chi壽shou命ming的de限xian製zhi，其qi功gong耗hao問wen題ti也ye越yue來lai越yue突tu出chu。如ru何he找zhao到dao能neng量liang效xiao率lv和he服fu務wu質zhi量liang之zhi間jian的de平ping衡heng點dian，已yi成cheng為wei當dang前qianSOC係統設計中的一個熱點問題。

在SOC設計中
，設計者大量重用現有經過驗證的成熟IP核，對於設計一個複雜係統並保證其上市時間的意義重大。當前，很多專業的IP供應商提供了大量可供設計者選用的IP核，設計者們需要根據應用需求


，選出合適的IP核，並確定每種IP核對應的配置。對於移動多媒體SOC的設計，為了實現係統級的優化，SOC係統設計者的核心目標之一即是在保證多媒體服務質量的同時使得係統代價(芯片麵積和功耗)最小化。

本文對多媒體中視頻應用的編碼特征以及負載特性進行分析，從係統設計及優化的層次，將功率管理模塊嵌入至多媒體SOC係統中。同時
，將係統的運行狀態按不同的IP配置情況組合成一係列微狀態
，在前人所做工作的基礎上，利用F-ARIMA模型預測負載，同時利用多媒體應用中衡量服務質量的重要指標——最後期限缺失率(deadlinemissrate，DMR)作為反饋控製信息，兩者相結合的方式，實時調整多媒體SOC係統的運行狀態，實現移動多媒體SOC設計過程中的功耗優化。

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biao準zhun正zheng逐zhu漸jian占zhan據ju主zhu導dao地di位wei。這zhe些xie視shi頻pin壓ya縮suo算suan法fa

，帶dai來lai更geng高gao傳chuan輸shu效xiao率lv的de同tong時shi，也ye帶dai來lai了le終zhong端duan更geng大da的de運yun算suan量liang。根gen據ju多duo媒mei體ti應ying用yong的de特te征zheng及ji其qi編bian碼ma標biao準zhun，不bu難nan發fa現xian，並bing非fei所suo有you多duo媒mei體ti視shi頻pin幀zhen所suo需xu要yao的de解jie碼ma時shi間jian都dou是shi一yi致zhi的de。以yiMPEG標準壓縮的幀為例
，其總共由三種類型的幀構成
，分別為：內部幀(intra)
，雙向幀(bidirectional)和可預測幀(predictive)。這(zhe)三(san)種(zhong)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)幀(zhen)
，具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)解(jie)碼(ma)複(fu)雜(za)度(du)。即(ji)使(shi)是(shi)同(tong)一(yi)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)幀(zhen)內(nei)部(bu)，其(qi)解(jie)碼(ma)複(fu)雜(za)度(du)也(ye)有(you)較(jiao)大(da)差(cha)異(yi)。顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)，將(jiang)所(suo)有(you)的(de)解(jie)碼(ma)任(ren)務(wu)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)約(yue)束(shu)都(dou)設(she)置(zhi)為(wei)同(tong)一(yi)個(ge)標(biao)準(zhun)將(jiang)會(hui)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)始(shi)終(zhong)工(gong)作(zuo)於(yu)最(zui)差(cha)分(fen)支(zhi)下(xia)，從(cong)而(er)付(fu)出(chu)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)功(gong)耗(hao)開(kai)銷(xiao)。

目前，在多媒體SOC設計過程中，針對其重要的視頻應用的負載特性進行功耗優化是一個非常熱點的研究問題。常見的低功耗設計技巧主要有動態電壓調整(dynamicvoltagescale，DVS)和動態功率管理(dynamicpowermanagement，DPM)技術。在DVS技術中
，在保證服務質量的同時，讓不同計算量的任務運行在不同的工作電壓和頻率；而DPMjishuzezaiyunxingguochengzhong
，dongtaiguanbixitongmouxiekongxianmokuai。zaizhongduozhenduiduomeitiyingyongjinxingdigonghaoshejideyanjiuzhong，qizhuyaosilukefenweilianglei。yizhongshijiangduomeitiyingyongdefuzaidangzuoyigesuijiguocheng
，ranhoucaiyongmaerkefuhuozhebanmaerkefumoxingyucefuzai，zaigenjuyucejieguotiaozhengdangqianxitongyunxingzhuangtai。ruzaiwenzhong，tichuleyizhongjiyuhuiguifangchengdefangshi，tongguoxitongdangqian“工作”和“空閑”時間預測即將到來的“工作”和“空閑”shijian。fenbieliyonglisanmaerkefushijianxuliehelianxumaerkefuxuliesuanfayucexitongfuzai。yishangzhexiefangshidouyouxiaodijiangdilexitonggonghaokaixiao

，danshiqizuidabuzuzhichuzaiyuduomeitiyingyongdebianmafangshiheneirongduozhongduoyang，wufazhaodaoyizhongheshidemoxinglaishiyingsuoyouduomeitiyingyong。lingwaiyifangmian，yeyouyanjiuliyongshishifankuikongzhidefangshi，laitiaozhengdangqianxitongyunxingzhuangtaidefangshilaijiangdiduomeitixitongdegonghao。

目前
，使用最廣泛的視頻壓縮標準為MPEG-x(x=1，2，4)係列和H．26y
，(y=1
，2
，3，4)係列。一般地，視頻編碼器將連續的圖像壓縮成I
，B，P三種不同的幀類型。I幀的壓縮率大於P幀

，P幀的壓縮率大於B幀。連續的兩個I幀之間的所有幀(不包括後一個I幀)構成一個圖像分組(GOP)。一個GOP由I幀幀間間隔N，以及P幀幀間間隔M兩個參數決定。與此對應，對於解碼器的解碼負載而言則有I>P>B這個規律。

即便采用同一種編碼格式
，麵向不同的應用場景，多媒體應用的負載情況也有很大區別，下麵以H．264．視頻壓縮標準為例，給出一些常見格式的視頻應用的負載情況，見表1。

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根據表1的實驗結果

，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
，即高速工作狀態和空閑狀態。由於解碼器運行狀態下的能量消耗計算方式為

式中：T為工作時間


；C是與係統負載電容相關的係數；Vdd和f分別為供電電壓和運行頻率。對於同樣的負載，根據式(1)，很容易推導出，當負載均勻分布於時間間隔T內時
，能量效率是最優的。所以，對於麵向多媒體應用的SOC低功耗係統級優化而言，其主要思想就是如何根據具體應用的需要，在當前可用的IP及其配置中，尋求一套最優化的組合，使得係統負載能均勻分布在給定的時間約束內。圖2給gei出chu的de則ze是shi設she計ji者zhe進jin行xing係xi統tong級ji功gong耗hao優you化hua的de理li想xiang狀zhuang態tai，雖sui然ran在zai實shi際ji應ying用yong中zhong該gai狀zhuang態tai永yong遠yuan無wu法fa達da到dao，但dan是shi可ke以yi在zai設she計ji過guo程cheng中zhong無wu限xian逼bi近jin這zhe一yi狀zhuang態tai。


2係統實現

在多媒體SOC中，為了保證服務質量，係統的設計目標必須是麵向最高負載情況。然而在實際運行過程中
，視頻解碼器、中央處理器以及一些外設經常處於不活動或者低負載狀態，這無疑白白消耗了一些能量。為解決該問題，EDA公司對Multi-Vt以及Muhi-Vdd等低功耗設計技術提供更有力的支持，IP供應商對同一IP核也提供了豐富配置以滿足不同應用需求，同時Foundry也提供了更豐富的標準單元庫以及工藝。在進行低功耗多媒體SOC設計的過程中，設計者所要做的就是充分利用這些技術優勢，盡可能地去開發可利用的低功耗設計空間。

圖3給出了一個多媒體SOC目標係統的基本架構圖
，該係統和當前多媒體SOC係統最大的差異在於增加了一個功率控製模塊(PCM)。該模塊的實現方式可以靈活多樣
，對於某些對實時性要求較高的功能塊(如負載預測)，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)硬(ying)件(jian)加(jia)速(su)的(de)方(fang)式(shi)實(shi)現(xian)。而(er)對(dui)於(yu)實(shi)時(shi)性(xing)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)功(gong)能(neng)塊(kuai)，則(ze)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)中(zhong)央(yang)處(chu)理(li)器(qi)的(de)軟(ruan)件(jian)資(zi)源(yuan)來(lai)實(shi)現(xian)。在(zai)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，先(xian)將(jiang)構(gou)成(cheng)係(xi)統(tong)的(de)各(ge)個(ge)IP核按其配置和對應的性能，同時結合多媒體SOC的應用需求，組合成一係列的微狀態，然後將這些狀態構成一個查找表，存儲於功率控製模塊。

係xi統tong在zai運yun行xing過guo程cheng中zhong，控kong製zhi模mo塊kuai會hui根gen據ju當dang前qian負fu載zai情qing況kuang，實shi時shi調tiao整zheng整zheng個ge係xi統tong的de運yun行xing狀zhuang態tai，通tong過guo配pei置zhi寄ji存cun器qi的de方fang式shi，讓rang係xi統tong在zai各ge個ge不bu同tong微wei狀zhuang態tai之zhi間jian切qie換huan，從cong而er盡jin量liang使shi負fu載zai能neng均jun勻yun分fen布bu於yu整zheng個ge運yun行xing過guo程cheng中zhong，達da到dao降jiang低di功gong耗hao的de目mu的de。在zai功gong率lv控kong製zhi模mo塊kuai的de核he心xin算suan法fa中zhong
，本ben文wen采cai用yong了le反fan饋kui控kong製zhi和he負fu載zai預yu測ce相xiang結jie合he的de方fang式shi，以yi此ci來lai彌mi補bu彼bi此ci的de不bu足zu之zhi處chu。對dui於yu負fu載zai預yu測ce而er言yan，預yu測ce模mo型xing的de準zhun確que性xing直zhi接jie關guan係xi到dao多duo媒mei體ti的de服fu務wu質zhi量liang。研yan究jiu表biao明ming

，多duo媒mei體ti視shi頻pin幀zhen長chang的de統tong計ji特te征zheng表biao現xian出chu了le很hen強qiang的de長chang相xiang關guan性xing(longtermdependency，IRD)，而多媒體SOC的係統負載又和幀長有著直接關係，所以在功率控製模塊中，采用F-ARIMA模型來進行負載預測。該模型是一種典型的自相似模型，能很好地反映時間序列的LRD特性
，從而能比較準確地進行多媒體視頻應用的負載預測。

而對於反饋控製機製，本文采用了跟視頻服務質量密切相關的最後期限缺失率(DMR)作為反饋標準。具體方法是：首shou先xian係xi統tong運yun行xing於yu缺que省sheng狀zhuang態tai


，通tong常chang是shi性xing能neng相xiang應ying功gong耗hao都dou最zui高gao的de狀zhuang態tai。然ran後hou係xi統tong根gen據ju性xing能neng檢jian測ce模mo塊kuai，並bing從cong預yu測ce模mo型xing庫ku中zhong選xuan擇ze預yu測ce模mo型xing對dui負fu載zai進jin行xing預yu測ce，然ran後hou根gen據ju預yu測ce結jie果guo實shi時shi調tiao整zheng當dang前qian係xi統tong的de微wei狀zhuang態tai。當dang係xi統tong性xing能neng檢jian測ce模mo塊kuai監jian測ce到daoDMR高於某一預先設定的門限，則係統反饋控製模塊負責調整預測模型的參數或者徹底更新預測模型，直至DMR值低於預先設定的門限值。



本文針對移動多媒體SOC設計中的功耗問題，提出了一種係統級低功耗設計方法。該方法的核心是利用各種IP所提供的配置空間，將多媒體SOC係統細分為不同的微狀態。同時結合傳統的DVS以及DPM思si想xiang，利li用yong反fan饋kui控kong製zhi和he負fu載zai預yu測ce相xiang結jie合he的de方fang式shi，實shi時shi調tiao整zheng係xi統tong運yun行xing過guo程cheng中zhong的de微wei狀zhuang態tai，從cong而er在zai保bao證zheng多duo媒mei體ti服fu務wu質zhi量liang的de基ji礎chu上shang，讓rang係xi統tong負fu載zai盡jin可ke能neng均jun勻yun分fen布bu於yu整zheng個ge運yun行xing期qi間jian
，達da到dao降jiang低di功gong耗hao的de目mu的de。通tong過guo係xi統tong級ji的de仿fang真zhen和he評ping估gu，該gai算suan法fa相xiang對dui傳chuan統tong方fang法fa而er言yan，進jin一yi步bu有you效xiao地di降jiang低di了le係xi統tong功gong耗hao
，平ping均jun約yue能neng降jiang低di40%左右。同時，由於該方法采用了與服務質量直接相關的DMR作為反饋控製信號
，故在降低功耗的同時，能保證多媒體視頻DMR在9%以下，均值在5%以下。