一種面向多媒體SOC的微狀態低功耗設計方法
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當前，移動多媒體應用在消費類電子中正變得越來越重要，然而由于受電池壽命的限制，其功耗問題也越來越突出。如何找到能量效率和服務質量之間的平衡點，已成為當前SOC系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，對于設計一個復雜系統并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，并確定每種IP核對應的配置。對于移動多媒體SOC的設計，為了實現系統級的優化，SOC系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系統代價(芯片面積和功耗)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，從系統設計及優化的層次，將功率管理模塊嵌入至多媒體SOC系統中。同時，將系統的運行狀態按不同的IP配置情況組合成一系列微狀態，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――最后期限缺失率(deadline miss rate，DMR)作為反饋控制信息，兩者相結合的方式，實時調整多媒體SOC系統的運行狀態，實現移動多媒體SOC設計過程中的功耗優化。
1 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標準正逐漸占據主導地位。這些視頻壓縮算法，帶來更高傳輸效率的同時，也帶來了終端更大的運算量。根據多媒體應用的特征及其編碼標準，不難發現，并非所有多媒體視頻幀所需要的解碼時間都是一致的。以MPEG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)。這三種不同類型的幀，具有不同的解碼復雜度。即使是同一種類型的幀內部，其解碼復雜度也有較大差異。顯而易見，將所有的解碼任務的實時性約束都設置為同一個標準將會導致系統始終工作于最差分支下，從而付出不必要的功耗開銷。
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(dynamic voltage scale，DVS)和動態功率管理(dynamic power management，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技術則在運行過程中，動態關閉系統某些空閑模塊。在眾多針對多媒體應用進行低功耗設計的研究中，其主要思路可分為兩類。一種是將多媒體應用的負載當作一個隨機過程，然后采用馬爾可夫或者半馬爾可夫模型預測負載，再根據預測結果調整當前系統運行狀態。如在文獻[4]中，提出了一種基于回歸方程的方式，通過系統當前“工作”和“空閑”時間預測即將到來的“工作”和“空閑”時間。文獻[5]中分別利用離散馬爾可夫時間序列和連續馬爾可夫序列算法預測系統負載。以上這些方式都有效地降低了系統功耗開銷，但是其最大不足之處在于多媒體應用的編碼方式和內容多種多樣，無法找到一種合適的模型來適應所有多媒體應用。另外一方面，也有研究利用實時反饋控制的方式，來調整當前系統運行狀態的方式來降低多媒體系統的功耗。如文獻[6]，作者提出了一種根據顯示緩存占用率作為反饋控制信息，來降低功耗的方法。
目前，使用最廣泛的視頻壓縮標準為MPEG-x(x=1，2，4)系列和H．26y，(y=1，2，3，4)系列。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幀的壓縮率大于P幀，P幀的壓縮率大于B幀。連續的兩個I幀之間的所有幀(不包括后一個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，對于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，面向不同的應用場景，多媒體應用的負載情況也有很大區別，下面以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。
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。由于解碼器運行狀態下的能量消耗計算方式為
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