Inter-Prozessor-Kommunikation

Strom sparende Dual-Port-Speicher für 3,5G-Handys

06.11.2006 | Redakteur: Jan Vollmuth

Bild 1: Typische Dual-Prozessor-Architektur
Bild 1: Typische Dual-Prozessor-Architektur

Moderne Mobiltelefone sollen immer leistungsfähiger werden und neue Funktionen wie MP3-Player integrieren, aber andererseits mit extrem wenig Energie auskommen. Da die benötigte Rechenleistung exponenziell zunimmt, müssen die Hersteller auf Zwei-Prozessor-Architekturen umsteigen. Die Bandbreite der Inter-Prozessorkommunikation kann zu einem gravierenden Engpass für Handys der nächsten Generation werden. Strom sparende Dual-Port-Speicher bieten sich hier als effektive Lösung an.

Danny Tseng, Lawrence Wong, Hung Vuong*

*Danny Tseng ist Senior Applications Engineer in der Data Communications Division von Cypress Semiconductor, Lawrence Wong gehört dem Wireless Application Team von Texas Instruments an, Hung Vuong ist Senior System Architect und Systems and Software CTO bei der Cellular Systems, Wireless Terminals Business Unit von Texas Instruments.

Zwei-Prozessor-Architekturen bestehen meist aus einem Basisbandprozessor und einem funktionsspezifischen Coprozessor, etwa einen Applikations oder Multimediaprozessor. Der Basisbandprozessor dient als HF-Modem, der Applikationsprozessor verarbeitet das Betriebssystem und die Multimedia-Applikationen (Bild 1). Die Sprach- und Multimediadaten werden über die am Basisbandprozessor angeschlossene Antenne empfangen, in Pakete verpackt und an den Applikationsprozessor übergeben. Die Bandbreite der Verbindung zwischen Basisband- und Applikationsprozessor kann zu einem gravierenden Engpass für 3G/3,5G-Handys der nächsten Generation werden.

Herkömmliche serielle Schnittstellen überfordert

Die Inter-Prozessor-Kommunikation (IPC) in aktuellen Highend-Handys wird in der Regel über serielle Interfaces wie SPI, UART oder auch USB abgewickelt, die an beiden Prozessoren vorhanden sein müssen. In 3G/3,5G-Mobilfunknetzen wie CDMA2000 und WCDMA mit HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) werden 10 MBit/s oder mehr benötigt, um Multimedia-intensive Inhalte zu unterstützen. Weder UART noch SPI werden mit max. 1 MBit/s diesem Bedarf gerecht. Auch der Durchsatz von Full-Speed-USB mit theoretisch 12 MBit/s sinkt durch den protokollbedingten Verarbeitungsaufwand in der Praxis auf unter 2 MBit/s. Zudem nimmt der USB-Host-Port auch Leistung auf, wenn er keine Daten überträgt, da er stets aktiv sein muss. Somit kann keine der vorhandenen seriellen Schnittstellen ausreichend hohe Datenraten für 3G/3,5G-Anwendungen bereitstellen.

Daher suchen Smartphone- und PDA-Hersteller schon seit langem nach einer effizienten IPC-Lösung. Seit einiger Zeit setzt man Strom sparende Dual-Port-Speicher für die systeminterne Kommunikation ein. Ihr Vorteil: Dual-Port-Speicher unterstützen so hohe Bandbreiten, die auch den Anforderungen der kommenden Mobilfunkgeneration gerecht werden. Abgesehen von ihrer hohen effektiven Bandbreite sorgen sie für eine maximale Batterielebensdauer, da sie verglichen mit seriellen Schnittstellen mit einem Minimum an Energie auskommen.

Hohe Effizienz, minimaler Protokollaufwand

Der über Dual-Port-Speicher abgewickelte Dialog zwischen zwei Prozessoren ist unkompliziert und nutzt Verfahren, mit denen Designer bereits vertraut sind. Speicher besitzen standardisierte Schnittstellen und können nahtlos an jeden marktüblichen Prozessor angeschlossen werden. Zudem werden keine komplexen Gerätetreiber benötigt, da die Schnittstelle zwischen den Prozessoren speicheradressiert ist. Dies vereinfacht die Softwareentwicklung und beschleunigt die Markteinführung. Als einfacher Mechanismus für das Handshaking zwischen den Prozessoren können Hardware-Interrupts verwendet werden. Das Ergebnis: hohe Effizienz und minimaler Protokollaufwand für das Management der Kommunikationsverbindung. Der reduzierte Verarbeitungsaufwand spart Strom, da keiner der beteiligten Prozessoren einen umfangreichen, viele Zyklen erfordernden Protokollstapel verwalten muss, der überdies unnötige Load- und Store-Operationen erfordert.

Plattform zum Messen der Gesamteffizienz

Um die Gesamteffizienz von IPC-Lösungen mit Strom sparenden Dual-Port-Speichern zu messen, haben Cypress und TI eine Plattform entwickelt, die aus zwei Applikationsprozessoren des Typs OMAP1710 von Texas Instruments und einem Low-Power MoBL-Dual-Port-Speicher CYDM256B16 von Cypress besteht (Bild 3).

Die Software läuft unter Symbian 8.1 EKA1, für das Handshaking kommt ein nicht doppeltes, zyklisch gepuffertes Hardware-Interrupt-Schema zum Einsatz. Die Durchsatzberechnung basiert auf der burst-weisen Datenübertragung vom Server an den Client-Prozessor mit vorgegebener Paketgröße. Zum Messen des effektiven Durchsatzes, der von der Häufigkeit der Hardware-Interrupts abhängt, wurden unterschiedliche Paketgrößen verwendet. Potenziell verbessern lässt sich der Durchsatz mit einem doppelten, zyklischen Puffer, doch wurde hier der konservativere Ansatz bevorzugt, um die Software zu vereinfachen und die Zahl der generierten Interrupts zu minimieren. Die Ergebnisse sind in der Tabelle wiedergegeben.

Hoher Durchsatz, geringer Stromverbrauch, reduzierter Footprint

Als Beispiel soll eine Full-Speed-USB-Verbindung mit einem Dual-Port-Interface beim Transfer einer 1 MBit großen Multimediadatei vom Basisband- zum Applikationsprozessor verglichen werden. Ein USB-Interface mit einem effektiven Durchsatz von 2 MBit/s benötigt 0,5 s für den Transfer der kompletten Datei. Voraussetzung ist, dass beide serielle Schnittstellen an beiden Prozessoren für die Dauer der Übertragung aktiv sind – und dementsprechend Leistung aufnehmen. Werden beide Prozessoren stattdessen mit einem Strom sparenden Dual-Port-Speicher verbunden, dauert das Übertragen der 1-MBit-Datei bei 48 MBit/s nur 0,02 s. Der Dual-Port-Speicher und der zweite Prozessor können zudem unmittelbar nach Ende der Datenübertragung in den Sleep-Modus wechseln. Die Zeitspanne, in der beide Prozessoren Leistung aufnehmen, reduziert sich dadurch um respektable 96%.

Low-Power-Dual-Port-Speicher punkten nicht nur hinsichtlich Performance und Verlustleistung: Auch die Leiterplattenfläche beschränkt sich dank des kompakten vfBGA-Gehäuses auf ein Minimum. Durch weitere Dual-Port-typische Merkmale wie die eingangsseitigen Lese- und die ausgangsseitigen Treiberregister werden außerdem an den Prozessoren weniger wertvolle GPIO-Ressourcen belegt.

Diese Vorteile machen Dual-Port-Speicher zu einer idealen IPC-Lösung für künftige Handy-Generationen.

Cypress Semiconductor, Tel. +49(0)8106 24480

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