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

dangqian

，yidongduomeitiyingyongzaixiaofeileidianzizhongzhengbiandeyuelaiyuezhongyao
，raneryouyushoudianchishoumingdexianzhi
，qigonghaowentiyeyuelaiyuetuchu。ruhezhaodaonengliangxiaolvhefuwuzhiliangzhijiandepinghengdian
，yichengweidangqianSOC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DPM技ji術shu則ze在zai運yun行xing過guo程cheng中zhong
，動dong態tai關guan閉bi係xi統tong某mou些xie空kong閑xian模mo塊kuai。在zai眾zhong多duo針zhen對dui多duo媒mei體ti應ying用yong進jin行xing低di功gong耗hao設she計ji的de研yan究jiu中zhong，其qi主zhu要yao思si路lu可ke分fen為wei兩liang類lei。一yi種zhong是shi將jiang多duo媒mei體ti應ying用yong的de負fu載zai當dang作zuo一yi個ge隨sui機ji過guo程cheng，然ran後hou采cai用yong馬ma爾er可ke夫fu或huo者zhe半ban馬ma爾er可ke夫fu模mo型xing預yu測ce負fu載zai，再zai根gen據ju預yu測ce結jie果guo調tiao整zheng當dang前qian係xi統tong運yun行xing狀zhuang態tai。如ru在zai文wen中zhong，提ti出chu了le一yi種zhong基ji於yu回hui歸gui方fang程cheng的de方fang式shi
，通tong過guo係xi統tong當dang前qian“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：shouxianxitongyunxingyuqueshengzhuangtai，tongchangshixingnengxiangyinggonghaodouzuigaodezhuangtai。ranhouxitonggenjuxingnengjiancemokuai，bingcongyucemoxingkuzhongxuanzeyucemoxingduifuzaijinxingyuce，ranhougenjuyucejieguoshishitiaozhengdangqianxitongdeweizhuangtai。dangxitongxingnengjiancemokuaijiancedaoDMR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DPMsixiang，liyongfankuikongzhihefuzaiyucexiangjiehedefangshi，shishitiaozhengxitongyunxingguochengzhongdeweizhuangtai
，congerzaibaozhengduomeitifuwuzhiliangdejichushang，rangxitongfuzaijinkenengjunyunfenbuyuzhenggeyunxingqijian
，dadaojiangdigonghaodemude。tongguoxitongjidefangzhenhepinggu，gaisuanfaxiangduichuantongfangfaeryan

，jinyibuyouxiaodijiangdilexitonggonghao，pingjunyuenengjiangdi40%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。