DE10340424B4 - Betriebszustandsabhängige Verteilung von Aufgaben in Mobilkommunikations-Endgeräten mit mehreren Mikro-Prozessoren - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Prozessierung von Aufgaben in einem Mobilkommunikations-Endgerät, wobei
– das Mobilkommunikations-Endgerät einen Applikations-Prozessor (1, AP), einen Modem-Prozessor (2, MC) und/oder einen DSP (3) aufweist,
– die Aufgaben vorab in definierter Weise diesen Prozessoren zugeordnet sind,
– ein vorbestimmter Betriebszustand definiert ist, in welchem keine Nutzsignalübertragung stattfindet oder nur so wenige Aufgaben anfallen, dass Aufgaben von dem Applikations-Prozessor auf den Modem-Prozessor (2, MC) und/oder DSP (3) umverteilt werden können,
– in diesem vorbestimmten Betriebszustand die Prozessierung der dem Applikations-Prozessor (1, AP) zugeordneten Aufgaben teilweise auf den Modem-Prozessor (2, MC) und/oder DSP (3) umverteilt wird,
– die Prozessierung der Aufgaben ausschließlich von dem jeweils zugeordneten Prozessor durchgeführt wird, wenn das Endgerät sich nicht in dem vorbestimmten Betriebszustand befindet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessierung von Aufgaben in Mobilkommunikations-Endgeräten mit einer Mehrzahl von Mikroprozessoren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Viele fortgeschrittene Anwendungsprogramme (Applikationen) wie beispielsweise Komprimierung von Videodaten, die auf mobilen Kommunikations-Endgeräten laufen sollen, benötigen eine relativ hohe Rechenleistung. Die benötigte Rechenleistung übersteigt oftmals die verfügbare Rechenleistung heutiger sogenannter eingebetteter (embedded) Mikro-Prozessoreinheiten (MPU, Micro Processing Unit). Die heutigen Mobilkommunikations-Endgeräte enthalten jedoch vielfach Basisband-Chips, auf welchen mehrere Prozessoren für verschiedene Aufgaben integriert sind, die den Prozessoren jeweils zugewiesen sind. Viele dieser Aufgaben sind oftmals nicht gleichzeitig aktiv, so dass bei der Ausführung von Applikationen oftmals nicht die größtmögliche Leistungsfähigkeit des Systems ausgenutzt wird.
• Die effektiv verfügbare Rechenleistung stellt somit eine relativ niedrige untere Grenze für Applikationen dar, die auf einem Mobilkommunikations-Endgerät durchgeführt werden sollen. Eine Lösungsmöglichkeit des Problems besteht in dem Einsatz von dedizierten Hardware-Beschleunigern, die in der Lage sind, spezifische Applikationen mit höherer Leistungsfähigkeit zu prozessieren. Diese Lösung ist jedoch nicht flexibel genug, da sie für jede zu beschleunigende Applikation spezifisches Hardware-Design benötigt. Eine andere Möglichkeit, die Ausführung von Applikationen auf Mobilkommunikations-Endgeräten zu beschleunigen, besteht darin, eine dedizierte externe Hochleistungs-MPU einzusetzen. Diese Lösung ist je doch im Allgemeinen sehr kostenintensiv, da sie ebenso zusätzlichen externen Hardware-Einsatz erfordert.
• Komplexe eingebettete Systemapplikationen benutzen heutzutage Chips, die aus mehreren Mikro-Prozessoren, On-Chip-Speicherelementen und Coprozessoren bestehen. Durch die Zusammenführung von Prozessorkernen und Speicherelementen auf dem gleichen Chip kann eine effektive Ausnutzung der Chipfläche erreicht werden. Man unterscheidet im Chip den Instruktionscache, Datencache und On-Chip-SRAM. Die Instruktions- und Daten-Cache-Speicher sind schnelle lokale Speicher, die ein Interface zwischen dem Prozessor und dem Off-Chip-Speicher bilden.
• Mobile Kommunikations-Endgeräte mit höherer Funktionalität wie beispielsweise Smartphones besitzen zumeist zwei Haupt-Prozessoren, nämlich einen Modem-Prozessor oder Modem-Controller und einen Applikations-Prozessor. Außerdem ist stets ein digitaler Signalprozessor (DSP) vorhanden, der zumeist mit dem Modem-Controller begrifflich als Basisband-Chipsatz (GSM + Protokoll, entsprechend also (beispielsweise) DSP + μC) zusammengefasst wird. Durch die Zunahme der zu bearbeitenden Anwendungsprogramme wurde eine Aufteilung in Basisband-Chipsatz und Applikations-Prozessor notwendig, in der der Applikations-Prozessor, der oft auch als Coprozessor bezeichnet wird, alle Anwendungsprogramme zu bearbeiten hat. Von der Anmelderin sind hierfür unter der Bezeichnung S-GOLD Single-Chip-Lösungen entwickelt worden, die weiter unten noch besprochen werden.
• In der Firmenpublikation "Developing Embedded Software in Multi-Core SoCs" der britischen Chip-Design-Firma ARM Ltd. (Autor: Paul Kimelman) werden verschiedenste Konfigurationen und Anwendungen von Multiprozessor-Systemen im Bereich der eingebetteten (embedded) Prozessorkerne beschrieben. Mit diesen Anwendungen gehen im Wesentlichen Echtzeit-Anforderungen für die unterschiedlichen Aufgaben beispielsweise in einem Mobilkommunikations-Endgerät einher. Auf der Grundlage dieser Anforderungen werden in der Publikation dann geeignete Hardware-Architekturen vorgeschlagen und hinsichtlich ihrer Leistungsperformanz diskutiert.
• In der Druckschrift US 2003/0109287 A1 wird ein Verfahren zur Prozessierung von Aufgaben in einem Mobilkommunikations-Endgerät beschrieben, welches eine Mehrzahl von Mikroprozessoren enthält. Ein in der Druckschrift genannter GSM-Chip bearbeitet typische Aufgaben des GSM-Protokolls, während ein ebenfalls beschriebener Multimedia-Companion-Chip Aufgaben hinsichtlich von Audio- und Video-Anwendungen bearbeitet und im normalen Betriebszustand die Ansteuerschaltung des Displays bedient. Wenn das Endgerät sich in einem Stand-by-Zustand befindet, in welchem nur das Netz abgehört wird; wird der Multimedia-Chip deaktiviert. In diesem Zustand wird die Ansteuerschaltung des Displays vom GSM-Chip bedient.
• Die Druckschrift DE 100 52 392 A1 beschreibt eine Basisstation oder Mobilstation eines funkbetriebenen Telekommunikationssystems, in der in einer Ausführungsform eine Mehrzahl von digitalen Signalprozesoren enthalten ist und in der in einem Standard-Betriebszustand ein Chiprate-Processing und ein Symbol-Rate-Processing von einem einzelnen digitalen Signalprozossor durchgeführt wird und in vorbestimmten anderen Betriebszuständen diese Aufgaben teilweise auf die anderen digitalen Signalprozessoren umverteilt werden.
• Die Druckschrift WO 98/14023 A1 beschreibt eine konfigurierbare Multiprozessor-Kommunikationsarchitektur für ein digitales Kommunikationsendgerät, die in der 3 dieser Druckschrift in einer schematischen Blockdarstellung gezeigt ist und einen ersten Systembus aufweist, an welchen eine Mehrzahl von DSP-Prozessoren angeschlossen sind. An den Systembus ist weiterhin ein Mikro-Scheduler angeschlossen, welchem die Aufgabe zukommt, den verschiedenen DSP-Prozessoren verschiedene Funktionen oder Aufgaben zuzuweisen, wobei diese Zuweisung von Aufgaben aufgrund bestimmter eingestellter Betriebszustände oder Modi erfolgen kann.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Prozessierung von Aufgaben in Mobilkommunikations-Endgeräten anzugeben, mit welchem die Aufgaben innerhalb kürzerer Zeit abgearbeitet werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass in einem Mobilkommunikations-Endgerät eine Mehrzahl von Mikro-Prozessoren enthalten sind. Die Erfindung geht somit von einer bestehenden und bekannten Hardware-Konfiguration aus und versucht, deren Effizienz bei der Abarbeitung der Aufgaben zu verbessern. Dies erfolgt dadurch, dass die Verteilung der zu prozessierenden Aufgaben auf die Mikro-Prozessoren in Abhängigkeit von einem Betriebszustand erfolgt. Die Prozessierung der Aufgaben erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in flexibler Weise.
• Dabei werden die Aufgaben zunächst in definierter Weise jeweils bestimmten Prozessoren zugeordnet werden, so dass die Prozessierung der Aufgaben grundsätzlich standardmäßig erfolgt. Bei Erreichen von vorbestimmten Betriebssituationen ist dann vorgesehen, dass die Prozessierung der Aufgaben mindestens teilweise von anderen als den zugeordneten Prozessoren durchgeführt wird. Auf diese Weise können Prozessoren, die in bestimmten Betriebssituationen keine oder nur wenige der ihnen zugewiesenen Aufgaben abzuarbeiten haben, da diese in diesen Betriebssituationen nicht oder nur in vermindertem Umfang anfallen, für die Prozessierung anderer Aufgaben herangezogen werden, um somit die diese anderen Aufgaben standardmäßig abarbeitenden Prozessoren zu entlasten.
• Ein Betriebszustand im Sinne der Erfindung kann dadurch gegeben sein, dass mit dem Endgerät keine Nutzsignalübertragung stattfindet. Es sind aber auch andere Betriebszustände denkbar, in denen der Arbeitsanfall für einen Prozessor derart signifikant zurückgeht, dass eine erfindungsgemässe Umverteilung der Aufgaben sinnvoll ist. Ein solcher Betriebszustand kann etwa bei Vornahme eines Datenabgleichs des Endgeräts über die Bluetooth- oder IrDA-Schnittstelle mit anderen Geräten gegeben sein. Die Betriebszustände können aber auch auf der Basis bestimmter Parameter wie der (Bewegungs)Geschwindigkeit des Endgeräts oder der Datentransfer-Geschwindigkeit bestimmt werden. Es können Parameterbereiche bestimmt werden, und den verschiedenen Betriebszuständen zugeordnet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einem Mobilkommunikations-Endgerät eingesetzt welches einen Applikations-Prozessor und einen Modem-Prozessor aufweist. In Betriebssituationen, in denen keine Nutzsignalübertragung stattfindet, also weder ein Telefongespräch geführt wird noch sonstige Daten übertragen werden, liegen nur wenige Aufgaben an, die von dem Modem-Prozessor zu verarbeiten sind, so dass Aufgaben von dem Applikations-Prozessor auf den Modem-Prozessor umverteilt werden können.
• Da das Mobilkommunikations-Endgerät auch einen DSP (Digital Signal Processor) enthalten kann können betriebszustandsabhängig auch Aufgaben von dem Applikations-Prozessor auf den DSP um verteilt werden, da bestimmte vorbereitete Applikationen auch von dem DSP abgearbeitet werden können. Eine Umverteilung von Aufgaben auf den DSP kann zusätzlich oder alternativ zu der Verlagerung von Aufgaben auf den Modem-Controller vorgenommen werden.
• Die dem Applikations-Prozessor standardmäßig zugewiesenen Aufgaben sind typischerweise Anwendungsprogramme. Ein Beispiel für ein Anwendungsprogramm besteht in der Verarbeitung von Bild- oder Videosequenzen, die mit der in dem Mobilkommunikations-Endgerät eingebauten Digital-Kamera aufgenommen wurden oder solche, die von einem anderen Endgerät empfangen und in einem Speicher zwischengespeichert wurden. Die Aufnahme bzw. das Auslesen der Signale aus dem Bildaufnehmer und das Komprimieren und Abspeichern der Videodaten der Videosequenz ist eine Applikation, die hohe Rechenleistung erfordert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann im günstigsten Fall die Verarbeitungsgeschwindigkeit linear mit der Anzahl der an der Verarbeitung beteiligten Prozessoren gesteigert werden.
• Im Folgenden wird die Erfindung in weiteren Einzelheiten beschrieben. Dabei wird auch auf die einzige beiliegende Zeichnungsfigur Bezug genommen, die eine schematische Blockdarstellung der Architektur eines S-GOLD2-Basisband-Chips zeigt.
• Der S-GOLD2-Chip ist ein GSM/E-GPRS-Basisband-Controller, in welchem ein Applikations-Subsystem enthalten ist. Die wichtigsten Subsysteme sind das Applikations-Subsystem, das Modem-Controller-Subsystem und das DSP-Subsystem. Diese Subsysteme sind als eingebettete Systeme ausgebildet.
• Das Applikations-Subsystem (links oben, schraffierter Hintergrund) besteht aus einem ARM926EJ-Mikro-Prozessor (MPU) der als Applikations-Prozessor 1 (AP) eingesetzt ist, und einem Satz von peripheren Bauelementen, welche hauptsächlich für Applikationen verwendet werden. Die Hauptaufgabe des AP be steht darin, dass Applikations-Betriebssystem (OS) zu betreiben, in welchem das Benutzer-Interface (MMI, Man-Machine-Interface) und die Applikationen enthalten sind. Der Applikations-Prozessor 1 ist mit einem Instruktions-Cachespeicher (I-Cache) und mit einem Daten-Cachespeicher (D-Cache) verbunden.
• Das Modem-Controller-Subsystem (im Zentrum, schraffierter Hintergrund) besteht aus einem zweiten ARM926EJ-Mikro-Prozessor (MPU), der als Modem-Controller 2 oder Modem-Prozessor (MC) eingesetzt ist, und einen Satz von peripheren Bauelementen, welche hauptsächlich für die Systemkontrolle und die Modemunterstützung verwendet werden. Die Hauptaufgabe des MC besteht darin, den GSM/E-GPRS-Protokollstapel (Protocol Stack, PS) abzuarbeiten. Auch der Modem-Controller 2 ist mit einem Instruktions-Cachespeicher (I-Cache) und einem Daten-Cachespeicher (D-Cache) verbunden.
• Das DSP-Subsystem (oben rechts, punktierter Hintergrund) besteht aus einem SC120-DSP (digitaler Signalprozessor) und einem Satz von peripheren Bauelementen und Beschleunigern, welche für die Modem-Funktionalität benötigt werden. Die Hauptaufgabe des DSP besteht darin, die Kanal- und Sprach-Kodier- und -Dekodieraufgaben abzuarbeiten.
• Der GSM/E-GPRS-Protokollstapel hat Echtzeit-Anforderungen (RT) zu erfüllen. Gewöhnliche Applikations-Betriebssysteme können derartige Echtzeit-Anforderungen nicht garantieren. Den Protokollstapel und das Applikations-Betriebssystem auf derselben MPU zu prozessieren, ist schwierig zu erreichen und erfordert großen Aufwand bei der Optimierung und der Fehlerbeseitigung. Des weiteren würde die Applikations-Performanz reduziert werden, da der Protokollstapel ebenfalls Rechenleistung von dieser MPU verbraucht. Aus diesem Grund enthält die S-GOLD2-Architektur eine MPU, die für Applikationen vorgesehen ist, und eine MPU, die für den Protokollstapel, d.h. den Mikro-Controller vorgesehen ist.
• Die PS-Bearbeitung ist hauptsächlich dann aktiv, wenn ein Gespräch oder eine (E-)GPRS-Datenübertragung stattfindet. Wann immer das Endgerät sich in einem Bereitschaftsmodus (Stand-by Mode) befindet, d.h. in Erwartung eines Gesprächs oder einer Datenübertragung steht, nimmt das Modem einen sogenannten Paging-Modus ein. Unter Paging versteht man eine energieeinsparende Maßnahme, die es erlaubt, das Modem für die meiste Zeit abzuschalten. Nur an vorbestimmten Zeitpunkten wird die Verbindung zwischen dem Endgerät und der Basisstation für eine kurze Zeitperiode aktiviert, um eine Überprüfung auf eingehende Gespräche oder Datenübertragungsvorgänge vorzunehmen oder wenn beispielsweise ein Zellenwechsel stattfindet. Das Paging dauert größenordnungsmäßig 1 ms und wird in Intervallen von 0,5 bis 2 Sekunden durchgeführt. Dazwischen kann der Modem-Controller abgeschaltet werden, um Energie einzusparen.
• Die meisten Applikationen werden zumeist dann durchgeführt, wenn das Modem sich im Paging-Modus befindet. Beispielsweise wird die Aufnahme einer Videosequenz mit der eingebauten Digital-Kamera üblicherweise nicht in solchen Momenten durchgeführt, während ein Gespräch mit dem Endgerät geführt wird. Somit kann im Paging-Modus die verfügbare Rechenleistung des Modem-Controllers dafür verwendet werden, die Applikation so lange zu unterstützen, wie der Modem-Controller hierfür zur Verfügung steht.
• Die Aufnahme und das Codieren und/oder Komprimieren einer Videosequenz ist eine Anwendung, die große Mengen an Rechenleistung benötigt. Auf einem mobilen Endgerät wird die Codierung bzw. Komprimierung typischerweise entsprechend dem MPEG-4- oder dem H.263-Standard durchgeführt. Diese Codierungs-Standards arbeiten mit sogenannten Makro-Blocks. Ein Makro-Block ist ein Block von 16 × 16 Pixeln. Die Codierung beinhaltet einen Prozess, der Bewegungsvorhersage (Motion Estimation) genannt wird und der die zeitliche Korrelation des Bildinhaltes ausnutzt. Jeder Makro-Block eines Rahmens zu ei ner Zeit t wird gegenüber einer Region in der Nachbarschaft dieses Blocks zu einer Zeit t + 1 überprüft. Die Bewegungsvorhersage definiert einen Bewegungsvektor für jeden Block, welcher andeutet, wohin sich der Block von einem Zeitrahmen zu dem nächsten bewegt hat. Die Bewegungsvorhersage für einen Makro-Block ist eine Aufgabe, die für eine bestimmte Bildregion um den Makro-Block durchgeführt wird. Da sie für jeden Makro-Block durchgeführt wird, kann sie leicht auf mehrere MPUs verteilt werden, indem verschiedene Makro-Blockregionen verschiedenen MPUs zugeordnet werden. Somit kann eine nahezu lineare Zunahme der Bearbeitungsgeschwindigkeit erwartet werden, falls diese Aufgabe mehr als einer MPU zugewiesen wird.
• Die Bewegungsvorhersage verbraucht zwischen 30 % und 80 % der Rechenleistung für den gesamten Codierungs-Algorithmus abhängig von der gewählten Performanz des Bewegungsvorhersage-Algorithmus (partielle Suche gegenüber vollständiger Suche etc.). Auf einem einzelnen ARM926EJ kann eine Performanz der MPEG-4-Codierung von 10 fps (Rahmen pro Sekunde) erwartet werden. In diesem Fall könnte der Modem-Controller an diesem Teil der Prozessierung als ein Coprozessor teilnehmen, um die Differenzensummen zu berechnen, wobei große Rechenleistungen benötigt werden. Mit einer gegebenen Komplexität der Bewegungsvorhersage zwischen 30 % und 80 % und unter der Annahme, dass jeder der Prozessoren verantwortlich für 50 % der Bewegungsvorhersage ist (hinsichtlich der Rahmenregionen), und unter Vernachlässigung eines gewissen Overhead-Anteils der Datenbewegung kann die Gesamtbeschleunigung der Prozessierung auf einen Wert zwischen 15 % und 40 % abgeschätzt werden. Qualitätsmäßig ist dies hinsichtlich der Videoqualität einer Codierungs-Performanz von 11,5 bis 14 fps äquivalent. Das genaue Ausmaß der Verbesserung hängt jedoch ebenso von dem Overhead des Datentransfers zwischen dem AP und dem MC und dem Ressourcen-Management ab.
• Eine andere Möglichkeit, die Codierungs-Performanz zu steigern, besteht darin, vollständig Teile des Codierungs- Prozesses dem Modem-Controller zu übergeben, wie etwa funktionale Blöcke, die das Dekodiermodell innerhalb des Codierungs-Prozesses bilden. Damit könnte ebenfalls ein beträchtlicher Teil der Bildverarbeitungs-Applikation von dem AP auf den MC umverteilt werden, so dass der AP die verbleibenden Aufgaben besser abarbeiten kann. Verglichen mit der Bewegungsvorhersage benötigen andere Funktionen weniger Rechenleistung, so dass die Prozessierungsbeschleunigung nicht so groß wie die theoretische Beschleunigung ist, falls die Bewegungsvorhersage gleichermaßen über zwei Prozessoren verteilt werden würde. Die Übergabe des Dekodiermodells an den MC sollte jedoch leichter sein, da die Datenabhängigkeit zwischen AP und MC durch den Rahmenpuffer entkoppelt wird.
• Beide beschriebenen Möglichkeiten der Verlagerung oder Verteilung von Aufgaben von dem Applikations-Prozessor zu dem Modem-Prozessor reduzieren die Rechenzeit, wodurch eine Verbesserung der Videoqualität für den Endverbraucher (ausgedrückt in Rahmen pro Sekunde) ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ können die beschriebenen und andere Aufgaben auch auf den DSP umverteilt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Prozessierung von Aufgaben in einem Mobilkommunikations-Endgerät, wobei – das Mobilkommunikations-Endgerät einen Applikations-Prozessor (1, AP), einen Modem-Prozessor (2, MC) und/oder einen DSP (3) aufweist, – die Aufgaben vorab in definierter Weise diesen Prozessoren zugeordnet sind, – ein vorbestimmter Betriebszustand definiert ist, in welchem keine Nutzsignalübertragung stattfindet oder nur so wenige Aufgaben anfallen, dass Aufgaben von dem Applikations-Prozessor auf den Modem-Prozessor (2, MC) und/oder DSP (3) umverteilt werden können, – in diesem vorbestimmten Betriebszustand die Prozessierung der dem Applikations-Prozessor (1, AP) zugeordneten Aufgaben teilweise auf den Modem-Prozessor (2, MC) und/oder DSP (3) umverteilt wird, – die Prozessierung der Aufgaben ausschließlich von dem jeweils zugeordneten Prozessor durchgeführt wird, wenn das Endgerät sich nicht in dem vorbestimmten Betriebszustand befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den umzuverteilenden Aufgaben die Verarbeitung von Bild- oder Videodaten enthalten ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung das Komprimieren und/oder Dekomprimieren von Bilddaten umfasst.