基于OMAP3平台的MID(移动互联网设备)解决方案

2009年08月05日 15:08    嵌入式公社
关键词: MID , 方案 , 互联网 , 平台 , 设备
移动因特网设备(MID)是一种集成了无线通信与计算功能的新兴产品,旨在提供比笔记本电脑更高的便携性和比手机更大的的显示屏。作为MID制造厂家的重要解决方案供应商,德州仪器(TI)提供集成了ARM Cortex-A8处理器、影像、视频及图形加速功能的单芯片OMAP3平台,可充分满足以最低功耗实现最高性能的要求。与Intel的双芯片Atom解决方案相比,采用移动工艺设计的OMAP3处理器使制造商能够构建尺寸更小、重量更轻、价格与功耗更低的高可扩展性产品,从而全面满足从智能电话到MID的各种产品的需求。

MID的特性和分类

MID的主要特性和功能包括:采用触摸技术实现直观易用的用户界面;功能齐备的浏览器可实现无与伦比的因特网体验;集成了Wi-Fi、WiMAX、3G手机以及蓝牙等技术等宽带与个人连接;可整页显示Web页面的高分辨率显示屏;一次充电即可满足全天工作需求。

许多制造商正不断将上述功能与蜂窝语音、一键式(One-click)Web2.0交互、高清音视频、摄像机与照相机、效能工具、GPS导航、交互式3D游戏等功能整合到一起。MID终端设备包括多媒体手机、便携式媒体播放器、具有无线连接功能的上网本、移动社交网络设备、虚拟世界系统、便携式导航工具、电子书以及其它新兴应用等。尽管大多数MID面向个人用户和普通的企业用户,但这些产品的高度灵活性也使其在零售、医药、教育、交通和政府等垂直市场具有很大吸引力。



MID 分为三大类:第一类是显示屏尺寸约为3~4英寸、重量约为0.25磅的袖珍型产品;第二类是显示屏尺寸约为4~7英寸、重量约为0.5磅的平板型;第三类是上网本,显示屏尺寸约为7~10英寸,重量约为1磅。袖珍型MID(小型MID)代表了智能电话的发展方向,上网本则是笔记本电脑的“瘦身”版。平板型 MID是一种新兴组合,其定义还不完善,因而还潜藏着很大的创新空间。预计诸如便携式导航设备与便携式媒体播放器等传统消费类电子产品,将增加移动因特网支持功能,因而也归入平板型产品的范畴。

OMAP3平台可充分满足MID的系统要求

MID系统开发人员在选择硅技术解决方案时,主要考虑问题是如何以最低功耗实现最高性能,同时尽可能缩小电路板与电池的尺寸,减轻重量,并最大限度地降低系统成本。此外,MID制造商还需要通过高度的软硬件集成、出色的支持以及明确定义的未来产品发展规划来实现产品的快速开发。TI通过为无线通信与移动计算平台设计解决方案来积极满足上述要求,并在该领域拥有超过15年的成功经验。TI是设备制造行业公认的领先企业,其产品在实际运行时可实现业界最佳的单位功耗性能,并在待机状态下具有最小漏电。

基于最新一代TI技术的OMAP3器件是业界首款采用ARM Cortex-A8处理器的产品。此外,这些片上系统(SoC)解决方案还集成了TI TMS320C64x数字信号处理器(DSP),以及专门用于影像、视频以及图形的加速技术,从而可实现出色的因特网通信与多媒体性能,其低功耗特性在无需为电池充电的情况下,即可确保持续一整天的工作。以最低功耗实现最高性能的技术进一步扩展到了软件与工具领域,且未来推出的各代OMAP技术都将不断增强上述功能。

OMAP3平台与Intel Atom平台的对比

Intel x86技术通常面向PC领域,其最初的设计并非旨在满足高级无线设备的移动技术要求。因此,Intel宣布推出的Atom战略涉及几代处理器与芯片组,以满足整个MID市场对集成度及性能功耗比的要求。

Intel 目前的MID解决方案包括两种芯片:一是Atom CPU,二是被称作System Controller Hub的独立芯片组,可提供存储器控制器、视频解码器、图形引擎以及I/O等功能。如果采用外部存储器与电源管理器件来支持这两颗芯片,那么封装总面积将达到666平方毫米。从Atom所需的全部板级空间来看,Atom更适用于2磅重的笔记本电脑,而不是0.5磅重的平板型MID或0.25磅重的小型 MID。



图2:具有MID系统连接的TIOMAP3x处理器

与之相反,TI的OMAP3平台在单个器件上集成了所有处理器、加速器、存储器控制器以及系统外设,封装面积仅为144平方毫米,与Centrino Atom相比,OMAP3的芯片空间节省了75%以上。此外[1],基于OMAP3平台的器件支持“层叠封装”(PoP)垂直堆栈的存储器,从而无需使用附加的板级空间,而Atom的产品则做不到这一点。当添加电源管理与垂直堆栈的存储器以形成完整的电路板时,基于OMAP3平台的设计与功能相当的 Atom系统相比,所需组件板级空间可节省80%以上[2]。使用OMAP3所节省的总体PCB面积甚至更达惊人的90%[3]。

工艺节点制造技术的重要意义

处理器设计对整体系统的成功至关重要。相对于以前的x86处理器,Intel Atom CPU确实实现了几项改进。值得注意的是,Atom采用45纳米的CMOS工艺制造可实现更小的裸片面积,且与前代产品相比,功耗更低。不过,单从工艺节点来评判产品可能并不准确,因为Atom功耗的降低并不是通过工艺进步,而是通过牺牲性能才实现的。若计算每次循环的工作效率,Atom的性能远低于之前的处理器,在相同频率下大约只提供前代处理器50%的性能。例如,一款1.6GHz的Atom处理器的性能约相当于较早的800MHz Pentium M处理器[4]。因此,即便同样是英特尔器件,也不能教条地通过时钟速度来判断性能高低。

此外,由于Intel以前一直为 PC而不是移动设备开发处理器,因此,相对于TI专为移动领域优化的65纳米工艺技术,Intel的45纳米工艺在性能功耗比方面并不占优。就裸片大小而言,Atom尽管采用了45纳米工艺,但面积仍然是OMAP3器件中Cortex-A8处理器的两倍。

功耗优势

对 MID的重要要求之一是单次充电即可整天平稳工作而不会影响性能。相对于PC,移动手持终端更应该满足这个要求。由于MID不需要台式计算机那么高的性能,因此Atom CPU在确保提供较高电源效率的情况下,性能有所下降或许是可以接受的。根据Intel提供的数据,Atom CPU本身在频率为800MHz时的最高热设计功耗(TDP)为0.65W,在频率为1.86GHz时为2.4W[5]。但是,由于MID系统特有的图形与多媒体处理仍然是在采用130纳米工艺制造的系统芯片组中进行的,因此Atom双芯片解决方案的功耗极高:800MHz时为2.95W,1.8GHz时高达4.7W。相比之下,集成OMAP3解决方案即便在频率为800MHz时的最高功耗也仅为750mW,相当于双芯片Atom解决方案的1/4。由于 TI解决方案的系统其它部分的功耗基本与此相同,因此其针对Web浏览与视频播放的电池使用寿命可延长2至3倍[6]。

不过,工作状态仅是其中的一部分因素。Atom CPU本身在深度睡眠模式下就会消耗移动设备的大量电源,约为80~100mW,相比之下,整个OMAP3平台仅为0.1mW[7]。在多数使用情形下,Atom CPU睡眠模式下的功耗便达到了足以使OMAP3产品处于正常工作模式所需的功耗。总体说来,OMAP3处理器待机情况下的电源效率是双芯片Atom解决方案的50倍,这主要归功于架构内置的TI移动工艺创新以及SmartReflex电源与性能技术。

如果综合考虑工作模式和待机模式下电流的消耗情况,结果就显而易见了。Intel指出,假设处理器80%的时间处于深度睡眠模式,1%的时间以最高速度运行,则频率为 800MHz时平均功耗为160mW[8]。在相同条件下,OMAP3 Cortex-A的功耗仅为25mW,即约为Atom解决方案的15%[9]。就工作时间而言,基于OMAP3平台的系统毋需充电就能持续工作一整天。在不使用系统的情况下,基于OMAP3平台的系统一次充电即可持续待机一周乃至更长时间,大大优于其他同类竞争解决方案。

不同类型电池的表现情况证明了上述两种解决方案的功耗水平差异。Atom面向MID的参照设计和规范均建立在3,000mAh电池的基础之上,而基于ARM的 MID设计一般使用1,400mAh的电池[10]。采用Atom设计的Nettop产品对电池的要求甚至更高,需为50Wh[11]。由于电池的尺寸和重量与电量成正比,因此采用OMAP3处理器的MID就显得非常小巧轻便。

当前就绪的MID解决方案

TI 在不断改进OMAP平台,Intel的发展战略同样也强调在后续几代Atom解决方案中进一步提高芯片组的集成度。目前,MID制造商可用的唯一x86技术就是双芯片Atom解决方案,但这种解决方案占用面积大、价格昂贵,而且功耗非常高。与其它Intel处理器相比,这种解决方案的CPU在某些方面可能性能不错,但我们认为,这种CPU和双芯片解决方案均不能完全满足MID市场对减少空间占用、降低功耗和成本的需求。

另一方面,开发人员已经在智能电话领域采用了OMAP3处理器,而且将进一步扩展至MID领域。MID系统将从OMAP3平台提供的众多优异特性中受益匪浅,如高集成度、高性能和高电源效率,以及包含Web浏览和多媒体等在内的业经验证的移动系统和应用软件。基于OMAP3平台的产品是一种低功耗的单芯片解决方案,其电池可持续工作一整天,且支持高性能多媒体应用。此外,TI的发展策略还明确规划了将实现更高集成度和更先进工艺的目标,从而确保基于ARM的 OMAP平台将随着这一令人振奋的新兴市场一如既往地稳居业界领先地位。

【注释】

[1] TI的封装面积为12x12mm(144平方毫米)。Atom的封装包括两个器件,面积分别为13x14mm和22x22mm(共计666平方毫米)。 Intel的数据来自以下网址的数据表:http://www.intel.com/design/chipsets/embedded /SCHUS15W/techdocs.htm。

[2] OMAP解决方案包括OMAP3应用处理器(144平方毫米)和垂直堆栈的PoP DDR存储器(不增加板级空间)。Intel解决方案包括Centrino Atom(666平方毫米)和DDR2存储器(368平方毫米)。带DDR存储器的Atom解决方案的总占用面积是1034平方毫米。

[3] 基于Atom模块使用的PCB面积,请参见以下网址:http://www.linuxdevices.com/files/misc /congatec_atom.jpg。处理功能和存储器所需的 Centrino Atom PCB面积为1420平方毫米,而TI OMAP3解决方案为144平方毫米。

[4]基于PC Mark Vantage–Productivity基准测试,其模拟了正常的PC使用情况,其中包括运行应用、编辑文本、搜索联系簿、浏览Web以及使用电子邮件等。Intel Atom在1.6GHz时的得分为1095,Intel Pentium-M “Dothan”在800MHz时的得分为1110。基准测试由AnandTech执行,于2008年6月3日发布:http://www.anandtech.com/systems/showdoc.aspx?i=3321&;p=8。

[5] Intel Z5xx CPU电源情况的文档记录见以下网址:http://download.intel.com/pressr ... _processor_skus.pdf

详细电源规范参见intel.com。SCH芯片组电源情况的文档记录见以下网址:http://www.intel.com/design/chip ... HUS15W/techdocs.htm

[6] Intel Z500在频率为800MHz时TDP功耗为0.65W,小于最差情况下的功耗。SCH最大TDP功耗指定为2.3W。双芯片Atom解决方案的最大功耗为2.95w,而OMAP3仅为0.75W。Intel Z5xx CPU电源情况的文档记录见以下网址:http://download.intel.com/pressroom/kits/events /idfspr_2008/IntelAtom_processor_skus.pdf。详细电源规范请见intel.com。SCH芯片组电源情况的文档记录请见以下网址:http://www.intel.com/design/chipsets/embedded/SCHUS15W /techdocs.htm。

[7] Intel Z5xx CPU电源情况的文档记录参见以下网址:http://download.intel.com/pressr ... _processor_skus.pdf

TI OMAP3 430的待机功耗仅为100微瓦。

[8] Intel Z5xx CPU电源情况的文档记录参见以下网址:http://download.intel.com/pressr ... _processor_skus.pdf

[9]对于使用Intel CPU在C0/C1/C2/C4/C6等电源状态下的用电数据,TI分析表明各占空比除C6为80%外,其余均为5%。相应的TI OMAP3 430 Cortex-A8 CPU电源数采用了相同的占空比数据。

[10] Intel Atom产品规范实例的文档记录参见以下网址:http://www.umpcportal.com/products/ (如GigaByte M528 MID)。

[11] 以使用49W/h电池的Asus Eee PC901为例,参见:http://www.umpcportal.com/products/product.php?id=212

作者:Brian Carlson

全球战略市场营销经理

德州仪器

Bob Morris

移动计算总监

ARM公司
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