降低顯示功耗來延長移動電池壽命

有許多因素會影響器件的功效，功效可以用電池兩次充電之間可用小時數來衡量。在如今這個高清移動屏時代，電池耗費最大的主要因素有兩個——顯示器亮度和視頻與圖形子系統的功耗。在這篇文章中，我們將討論后者——系統級芯片中的智能視頻和顯示流水線(Display Pipeline)。智能，意味著提供與競爭性解決方案類似的性能，但要求低得多的功耗。

視頻與圖形子系統面臨的挑戰

現代圖形SoC要求以高幀速率渲染高分辨率圖像，并且在此基礎之上執行多個圖像后處理任務，如縮放、旋轉、像素格式轉換等等。應對這種挑戰的典型方法是采用圖形處理單元(GPU)，然而，由于其通用性架構，在具體顯示處理操作期間的功效并不是最優的。

針對這種情況，Evatronix公司開發出了PANTA DP IP內核——系列顯示處理器，旨在從GPU接管這些特殊顯示任務，進而顯著降低功耗。PANTA處理器專門針對一些執行任務進行了優化，如多層組合、YUVRGB轉換、旋轉、阿爾法混合、伽瑪校正以及在將幀緩沖內容提交給顯示器之前的其它任務。這樣可以通過部分或全部卸載GPU任務而顯著降低總的SoC動態功耗。由于通過減少對視頻和圖形幀緩沖器的訪問次數而保留了最小的系統內存帶寬，因此可以進一步降低PANTA DP輔助SoC的功耗。

增強現有架構

我們以一個處理多個顯示器輸出的GPU處理顯示流水線為例。該系統要在兩個具有不同分辨率的屏幕上顯示圖形幀——外部全高清(1920x1080像素)和本地高清(1280x720像素)顯示器。每個幀由3個層組成。第一層是由以前設備相機記錄的經過譯碼的全高清視頻。這個幀以YUV 4:2:0格式存儲在幀緩沖器內。另外兩層是音量控制和記錄速率，由GPU以RGB格式產生。在組合層可以被顯示之前必須執行許多操作，包括YUV到RGB視頻層轉換、三幀阿爾法混合、縮放和旋轉。在如圖1所示的系統中，顯示控制器只需傳送幀緩沖器中由GPU準備好的最終數據。

圖1：典型的多顯示器系統。

在這個案例中，能量被GPU中執行的特殊顯示任務浪費了，而GPU專門針對執行不同圖形運算操作——本例中是2D圖形渲染進行過優化。

為了提高能效，可以使用PANTA系列元件。圖2顯示了一個圖形子系統架構例子，其中使用了兩個配置有PANTA CP20縮放協處理器的PANTA DP30顯示處理器。在這個例子中，GPU只負責渲染圖形層像素，并將結果發送到幀緩沖器。因此GPU任務量得到了很大程度地卸載，因為YUV到RGB轉換、阿爾法混合、縮放和旋轉交給了PANTA DP30和PANTA CP20單元來完成。

圖2：采用PANTA元件的多顯示器子系統。

在這個系統中，由PANTA DP30轉換到RGB格式的視頻層會與其它圖形層組合在一起，并在外部屏幕上直接顯示。與此同時，組合幀被PANTA CP20模塊從1080p縮小到720p，并返回到幀緩沖器。第2個PANTA顯示處理器取回縮小后的幀并旋轉90度，然后將它發送給本地顯示器。由于PANTA IP的縮放和旋轉功能，這兩個額外操作不需要在GPU中執行，因此圖形子系統中的總體功耗會有顯著降低。另外，由于幀緩沖器中存儲的圖形數據大小取決于幀分辨率和格式，因此與圖1所示的典型多顯示器解決方案相比，PANTA元件的使用可以將系統內存帶寬最多減少40%。在這個用例中描述并用40nm LP工藝實現的PANTA元件總功耗不到30mW。

PANTA顯示處理器還能降低更多的功耗。在有些情況下，所有視頻和圖形處理任務都可以由PANTA元件執行，因而允許完全關閉GPU。圖3顯示了一種用例，其中PANTA IP顯示由視頻譯碼器傳送至幀緩沖器的譯碼視頻。這樣的數據流只要求旋轉以及YUV至RGB轉換，因此完全不需要GPU參與。在這種情況下，采用40nm LP工藝實現的PANTA DP30功耗不會超過6mW。

圖3：沒有GPU的PANTA DP輔助顯示子系統。

小結

因為三維游戲和高清視頻回放正在成為移動設備的基本功能，因此上述視頻流水線在SoC等級得到功耗最優化非常重要。用戶期望智能手機和平板電腦能夠提供超長電池壽命，在多媒體應用期間也不例外。

Evatronix PANTA處理器可以在不犧牲任何性能的前提下幫助用戶提高顯示子系統的功效，這要歸功于代替GPU執行特殊顯示任務、最大限度減少視頻/圖形子系統內存帶寬的內部IP。