无线电话逐渐转变为掌上型多媒体家电，随着3G网路的出现以及频宽的增加，创造了更多的多媒体应用。能拍摄相片并立刻透过网际网路传送的照相手机近来频频出现于媒体广告，具备语音辨识能力的智慧型手机也非常普通，全动态视讯串流、Java程式、游戏、蓝芽和其它更多功能的实现已为期不远。

在努力跟上这个发展趋势的同时，OEM厂商也不能忽略其它市场需求，其中最重要的就是消费者希望拥有更长的电池使用时间。

希望大幅增加功能并且降低功耗，就必须以最高效率来处理庞大的资讯量。在不影响电池电力的情形下，处理器必须执行数学运算量庞大的作业，例如杂讯及回音消除、音讯和视讯的编码与解码、压缩以及解压缩，而且全都必须即时完成；同时，它还必须管理无线家电内建的视讯显示装置、对人机界面做出回应、并执行其它系统管理工作。设计工程师的挑战是找到一个或一组处理器,它能以最少的指令周期来完成所有工作,进而把电力的使用减至最低。

突破之道

1980年代末期DSP开始发展，DSP适合处理代表人类感官刺激的数位资料，例如视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉。由于DSP已针对数学运算量庞大的重复性作业最佳化，因此相较于其它处理器，它都能在更少的时脉周期内，以更快的速度完成许多工作，例如声音的压缩和解压缩。

然而DSP并不适合执行命令与控制功能，例如视讯显示或人机界面，它们基本上都是资料处理作业，不必即时完成，还牵涉许多的工作切换及中断处理动作，既未包含大量数学运算，也不是高度重覆性的工作。

要满足无线手机的各种不同处理需求，最直接的方法就是把RISC处理器和DSP同时加入手机里，但同时采用两颗独立处理器也​​有许多显而易见的缺点，例如功耗、电路板面积、周边装置连线、协定和程式设计。

为解决这些问题，某些晶片厂商试图在包含DSP指令延伸集的通用RISC处理器上面执行多媒体应用（如ARM9E）；虽然这些处理器可以应付多媒体作业，却不是最好的方法。

把DSP和传统处理功能整合至单颗RISC元件会降低弹性，即时讯号处理作业和中断频率很高的资料处理作业之间也会出现难以避免的冲突。当这类元件必须同时执行多项工作时，它会把较高优先权提供给时间较急迫的多媒体处理。此外，若某个人机界面要求切换工作，系统反应迟钝的问题就会出现；这颗处理器必须执行工作环境（context）的储存和恢复，安排人机界面工作的执行时程，并要确保它不会错过任何即时要求。通常这会减缓系统对于人机介面输入的反应速度,甚至达到令人无法接受的地步。

把类似DSP的延伸规格加入基本RISC处理器可改善整体效能。包含延伸规格的RISC处理器可以快速执行更多位数的乘法和加法，但它却无法提供DSP导向的定址模式来支援许多特殊运算，例如环状缓冲、位元反转（bit-reversal）、平行移动、硬体回路和其它许多功能，这些缺点将对程式码最佳化产生极为不利的影响。

电力消耗较大也是这两种纯RISC方法的特点，由于RISC处理器架构并未针对讯号处理最佳化，因此它需要较多个指令周期，才能执行数学运算量庞大的多媒体演算法；平均而言，RISC处理器需要三倍的时脉周期，才能执行和DSP相同的计算，而更多个周期自然意味着更大功耗和更短的电池使用时间。此外，以RISC为基础的解决方案或许无法提供足够的效能预留空间，这将使得系统无法在未来扩充。

第三种方法则是以双处理器设计为基础，同时又克服这类架构的缺点，它会把RISC处理器和强大的DSP整合至单晶片，使它兼具这两种处理器的优点。双核心元件可以很有效率的处理多媒体和人机界面作业，由于它把所有功能全都整合至单晶片中，故能节省电路板面积，同时降低功耗和成本。在这些元件中，RISC处理器（如ARM）核心负责执行作业系统，DSP则处理多媒体应用，(图一)为TI的OMAP处理器架构方块图，透过双核心的架构，以提升效能与解决耗电问题。

《图一 OMAP硬件架构方块图》 注:运算核心会透过多组外围总线来存取外围装置，每个核心都有自己的专属外围总线，它们会连接至其它总线，构成完整的连接线路。

应用优点

虽然现有产品才刚开始挖掘3G无线多媒体装置的潜力，许多功能却仍超过传统处理能力的极限，使得某些无线设备在典型的使用者环境中表现并不理想；举例来说，某些装置虽然提供语音辨识功能，但当周围并不是很安静时，它的辨识能力就很不理想。

造成这项失败的最大原因，是某些设计人员企图在RISC处理器上面实作回音消除和杂讯抑制演算法；虽然这种方式在某种程度内可以工作，却造成杂讯和回音的消除不够强健可靠，若要在RISC上采用更强健可靠的实作，又将影响电池寿命。

若能有效将RISC处理器和DSP整合至单颗元件，即可提供高品质语音辨识所需的可靠运算能力，而且不会降低电池寿命；同样的，整合式双处理器也能克服MPEG4视讯之类应用可能出现的问题，RISC处理器则无法在不影响电池使用时间的情形下，提供这些应用所需的讯号处理效能。此外，使用者要求（如音量调整）也会迫使RISC引擎切换工作以便服务这项要求，这通常会影响其它即时作业，导致讯框漏失或是QoS下降。相形之下，可程式DSP却允许研发人员实作任何既有标准，而且不会使电池寿命减少；它还能处理使用者要求（利用ARM处理器），不会影响DSP即时演算法的QoS。

如前所述，利用RISC处理器和DSP组成的平行架构，RISC处理器即可将某项应用暂停，以便处理其它要求，这也能解决反应时间延迟的问题。在双处理器环境里，作业中的应用由DSP负责，RISC则处理其它需要时脉周期的应用。

软体解决方案

对研发人员来说，为双处理器环境发展应用软体是件困难的工作，DSP Bridge和MultiMedia Engine（闸道器）可减轻这个负担。 DSP Bridge透过常驻于两个核心的软体层在ARM和DSP之间提供一个连结；简单的说，这个桥接程式会汇出一组应用程式界面，在ARM上面执行的MultiMedia Engine可利用此界面使用DSP资源。 MultiMedia Engine则会汇出另一组研发人员很熟悉的标准应用程式界面，应用软体可透过这组界面使用MultiMedia Engine的功能。

在DSP端，这个桥接程式会管理DSP资源和资料串流，并提供界面给DSP演算法，这些演算法可由客户自行发展，或者是协力厂商提供的现成产品。

结论

包括MPEG4、语音合成、整合式传讯（unified messaging）、网路音讯、视讯会议、视讯串流和其它应用在内，新出现的无线多媒体家电应用需要效能更强大、功耗却更低的处理器。双核心处理器能满足这些要求，它把RISC处理器和DSP的独特功能整合至单颗元件，并为它增加丰富周边功能。软体让双核心元件的实作就像使用单颗RISC简单，开放式标准为协力厂商排除研发障碍，协助其加快新产品上市时间。

（作者任职于德州仪器）