無線電話逐漸轉變為掌上型多媒體家電，隨著3G網路的出現以及頻寬的增加，創造了更多的多媒體應用。能拍攝相片並立刻透過網際網路傳送的照相手機近來頻頻出現於媒體廣告，具備語音辨識能力的智慧型手機也非常普通，全動態視訊串流、Java程式、遊戲、藍芽和其它更多功能的實現已為期不遠。

在努力跟上這個發展趨勢的同時，OEM廠商也不能忽略其它市場需求，其中最重要的就是消費者希望擁有更長的電池使用時間。

希望大幅增加功能並且降低功耗，就必須以最高效率來處理龐大的資訊量。在不影響電池電力的情形下，處理器必須執行數學運算量龐大的作業，例如雜訊及迴音消除、音訊和視訊的編碼與解碼、壓縮以及解壓縮，而且全都必須即時完成；同時，它還必須管理無線家電內建的視訊顯示裝置、對人機界面做出回應、並執行其它系統管理工作。設計工程師的挑戰是找到一顆或一組處理器，它能以最少的指令週期來完成所有工作，進而把電力的使用減至最低。

突破之道

1980年代末期DSP開始發展，DSP適合處理代表人類感官刺激的數位資料，例如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺。由於DSP已針對數學運算量龐大的重複性作業最佳化，因此相較於其它處理器，它都能在更少的時脈週期內，以更快的速度完成許多工作，例如聲音的壓縮和解壓縮。

然而DSP並不適合執行命令與控制功能，例如視訊顯示或人機界面，它們基本上都是資料處理作業，不必即時完成，還牽涉許多的工作切換及中斷處理動作，既未包含大量數學運算，也不是高度重覆性的工作。

要滿足無線手機的各種不同處理需求，最直接的方法就是把RISC處理器和DSP同時加入手機裏，但同時採用兩顆獨立處理器也有許多顯而易見的缺點，例如功耗、電路板面積、週邊裝置連線、協定和程式設計。

為解決這些問題，某些晶片廠商試圖在包含DSP指令延伸集的通用RISC處理器上面執行多媒體應用（如ARM9E）；雖然這些處理器可以應付多媒體作業，卻不是最好的方法。

把DSP和傳統處理功能整合至單顆RISC元件會降低彈性，即時訊號處理作業和中斷頻率很高的資料處理作業之間也會出現難以避免的衝突。當這類元件必須同時執行多項工作時，它會把較高優先權提供給時間較急迫的多媒體處理。此外，若某個人機界面要求切換工作，系統反應遲鈍的問題就會出現；這顆處理器必須執行工作環境（context）的儲存和恢復，安排人機界面工作的執行時程，並要確保它不會錯過任何即時要求。通常這會減緩系統對於人機界面輸入的反應速度，甚至達到令人無法接受的地步。

把類似DSP的延伸規格加入基本RISC處理器可改善整體效能。包含延伸規格的RISC處理器可以快速執行更多位數的乘法和加法，但它卻無法提供DSP導向的定址模式來支援許多特殊運算，例如環狀緩衝、位元反轉（bit-reversal）、平行移動、硬體迴路和其它許多功能，這些缺點將對程式碼最佳化產生極為不利的影響。

電力消耗較大也是這兩種純RISC方法的特點，由於RISC處理器架構並未針對訊號處理最佳化，因此它需要較多個指令週期，才能執行數學運算量龐大的多媒體演算法；平均而言，RISC處理器需要三倍的時脈週期，才能執行和DSP相同的計算，而更多個週期自然意味著更大功耗和更短的電池使用時間。此外，以RISC為基礎的解決方案或許無法提供足夠的效能預留空間，這將使得系統無法在未來擴充。

第三種方法則是以雙處理器設計為基礎，同時又克服這類架構的缺點，它會把RISC處理器和強大的DSP整合至單晶片，使它兼具這兩種處理器的優點。雙核心元件可以很有效率的處理多媒體和人機界面作業，由於它把所有功能全都整合至單晶片中，故能節省電路板面積，同時降低功耗和成本。在這些元件中，RISC處理器（如ARM）核心負責執行作業系統，DSP則處理多媒體應用，(圖一)為TI的OMAP處理器架構方塊圖，透過雙核心的架構，以提升效能與解決耗電問題。

《圖一　OMAP硬體架構方塊圖》 註:運算核心會透過多組週邊匯流排來存取週邊裝置，每個核心都有自己的專屬週邊匯流排，它們會連接至其它匯流排，構成完整的連接線路。

應用優點

雖然現有產品才剛開始挖掘3G無線多媒體裝置的潛力，許多功能卻仍超過傳統處理能力的極限，使得某些無線設備在典型的使用者環境中表現並不理想；舉例來說，某些裝置雖然提供語音辨識功能，但當周圍並不是很安靜時，它的辨識能力就很不理想。

造成這項失敗的最大原因，是某些設計人員企圖在RISC處理器上面實作迴音消除和雜訊抑制演算法；雖然這種方式在某種程度內可以工作，卻造成雜訊和迴音的消除不夠強健可靠，若要在RISC上採用更強健可靠的實作，又將影響電池壽命。

若能有效將RISC處理器和DSP整合至單顆元件，即可提供高品質語音辨識所需的可靠運算能力，而且不會降低電池壽命；同樣的，整合式雙處理器也能克服MPEG4視訊之類應用可能出現的問題，RISC處理器則無法在不影響電池使用時間的情形下，提供這些應用所需的訊號處理效能。此外，使用者要求（如音量調整）也會迫使RISC引擎切換工作以便服務這項要求，這通常會影響其它即時作業，導致訊框漏失或是QoS下降。相形之下，可程式DSP卻允許研發人員實作任何既有標準，而且不會使電池壽命減少；它還能處理使用者要求（利用ARM處理器），不會影響DSP即時演算法的QoS。

如前所述，利用RISC處理器和DSP組成的平行架構，RISC處理器即可將某項應用暫停，以便處理其它要求，這也能解決反應時間延遲的問題。在雙處理器環境裏，作業中的應用由DSP負責，RISC則處理其它需要時脈週期的應用。

軟體解決方案

對研發人員來說，為雙處理器環境發展應用軟體是件困難的工作，DSP Bridge和MultiMedia Engine（閘道器）可減輕這個負擔。DSP Bridge透過常駐於兩個核心的軟體層在ARM和DSP之間提供一個連結；簡單的說，這個橋接程式會匯出一組應用程式界面，在ARM上面執行的MultiMedia Engine可利用此界面使用DSP資源。MultiMedia Engine則會匯出另一組研發人員很熟悉的標準應用程式界面，應用軟體可透過這組界面使用MultiMedia Engine的功能。

在DSP端，這個橋接程式會管理DSP資源和資料串流，並提供界面給DSP演算法，這些演算法可由客戶自行發展，或者是協力廠商提供的現成產品。

結論

包括MPEG4、語音合成、整合式傳訊（unified messaging）、網路音訊、視訊會議、視訊串流和其它應用在內，新出現的無線多媒體家電應用需要效能更強大、功耗卻更低的處理器。雙核心處理器能滿足這些要求，它把RISC處理器和DSP的獨特功能整合至單顆元件，並為它增加豐富週邊功能。軟體讓雙核心元件的實作就像使用單顆RISC簡單，開放式標準為協力廠商排除研發障礙，協助其加快新產品上市時間。

（作者任職於德州儀器）