可穿戴設備的幀緩沖器要求有哪些？

高清媒體消費正在經歷雙重增長，一是消費者數(shù)量的增加，二是向更加高清的內容過渡。增長動力來自日益普及、速度越來越快的互聯(lián)網接入服務以及移動設備（手機、平板電腦、可穿戴設備等）的爆炸式增長。因此，當今的很多可穿戴設備都能處理高清媒體的消費。

即使按照最保守的估計，到2020年，市場對物聯(lián)網（IoT） 和可穿戴設備的需求將增長三倍。這意味著全球將有500億件設備。這將催生對新一代顯示器驅動器和幀緩沖器（一種與傳統(tǒng)顯示器中所使用的內存不同的內存）的需求。雖然嵌入式RAM能夠滿足初代可穿戴設備的需要，但當今的高清和大型可穿戴顯示器需要大得多的幀緩沖內存。這些要求不同于傳統(tǒng)的PC和電視顯示器，因為它們使用電池供電，能效是主要的設計約束條件。大多數(shù)最新的可穿戴設備將具備極高的空間效率和能效，以至于它們將能在充滿電后連續(xù)工作數(shù)天甚至數(shù)周，同時還能完成各種復雜的操作。這就是我們?yōu)楹涡枰乱淮@示驅動器的原因所在。

為了了解可穿戴設備的幀緩沖器要求，讓我們首先研究一下圖形系統(tǒng)的架構。每一個圖形系統(tǒng)都由三個組件構成：硬件、圖形庫和一個使用它的應用。

圖形庫和應用由軟件控制，而硬件則由一個幀緩沖器控制，后者是一個連續(xù)高吞吐量內存。幀緩沖器中的每一個存儲單元對應屏幕上的一個像素。像素強度由其電壓決定。

顯示器的分辨率由以下因素決定：

掃描行數(shù)

每行的像素數(shù)

每個像素的位數(shù)

以1024x768 24位圖像為例，它是PC最常用的屏幕分辨率。

1024 X 768 X 24 = 18.9Mb

這是幀緩沖器支持這種顯示器所需的最小容量。盡管如此，如果它是一個具備視頻功能的動態(tài)顯示器，僅有一個這樣容量的內存還不夠。這給幀緩沖器提出了吞吐量要求。

對于上述分辨率下的一個每秒30幀（fps）的視頻而言，最大吞吐量是：18.9 x 30 = 566Mbps。

如上所述，幀緩沖器中的每一個存儲單元對應屏幕上的一個像素。對于一個n位彩色顯示器而言，n位中的每一位是一個單獨的位平面（例如，24位色有24個位平面）。N個存儲單元將存儲每個像素的狀態(tài)，來自每個n位平面的二進制值被加載到存儲器中的對應位置。最終的二進制數(shù)被詮釋為0到2n – 1之間的一個強度值，然后被一個數(shù)模轉換器轉換為一個0到最大電壓之間的模擬電壓值，從而實現(xiàn)2n種強度。

兩個因素決定了顯示器所使用的幀緩沖器類型：容量和吞吐量。增加圖像的分辨率需要更大的內存，而增加視頻的fps需要更高的吞吐量。有兩種方法滿足這個要求：增加幀緩沖器的容量和吞吐量，或者通過增加幀緩沖器的容量降低吞吐量（例如，將前者增加一倍，將后者減半）。通過增加幀緩沖器的容量（通常是在一個芯片中集成多個幀緩沖器），我們能夠降低吞吐量，因為芯片必需經歷的輸入－輸出周期減少了。例如，將容量增加一倍后，兩個幀可被同時存儲在一個緩沖器中，這意味著給定時間內該緩沖器被調用/引用的次數(shù)減少了一半，因此實現(xiàn)了較低的吞吐量。因此，內存分為兩類：高密度和高吞吐量。這方面的內容將在本文稍后討論。

仔細觀察Nvidia和AMD的最新一代計算機圖形處理器（GPU）的規(guī)格后，我們發(fā)現(xiàn)內存容量大幅增加，通常達到數(shù)個GB。這是因為大多數(shù)現(xiàn)代GPU是為游戲和高清渲染應用而設計的，此外還有很多占用內存空間的額外功能：MSAA（使用采樣頻率成倍增加緩沖器的容量）、預取、影子緩沖器、延遲渲染和特效。即使窗口滾動等我們習以為常的功能也需要占用額外的緩沖空間。大多數(shù)游戲緩沖器采用三重緩沖（每個幀使用三個緩沖器）和HDR（正常的HDR深度是64位，而非24位）。很多這些高端GPU還支持多個高清顯示器，這意味著為每個顯示器內置一個專用緩沖器。

但是，由于它們的顯示器較小，大多數(shù)可穿戴設備和便攜設備還不需要這些功能。理想的方法是將MCU的嵌入式內存資源用作幀緩沖器。它將擁有最高的吞吐量，而且最容易實現(xiàn)。但是，對于可穿戴設備中的新一代顯示器而言，大多數(shù)MCU的內存還不夠。此外，日益增高的程序復雜性要求將更大的嵌入式內存用作MCU的一級高速緩存。對于大多數(shù)當代可穿戴設備而言，顯示器的分辨率為QVGA（Quarter Video Graphics Array－四分之一視頻圖形陣列），而對于這些顯示器而言，以下規(guī)格將夠用：24位| 480*360 | 30fps。對于可穿戴設備的顯示器而言，它們意味著每英寸像素數(shù)（ppi）達到300個。這種顯示器對內存的要求是吞吐量為120 Mbps的4Mb內存。但是， 未來的設備將配備分辨率高得多的顯示器，超過400 ppi，與眾多最新一代的手機相當。對于尺寸相同的顯示器而言，日益增高的ppi意味著幀緩沖器的容量也要相應增加。如上所述，有兩種方法實現(xiàn)這個容量的幀緩沖器：吞吐量約為120 Mbps 的4Mb緩沖器或吞吐量約為30Mbps的16Mb緩沖器。在這兩種方法中，小容量緩沖器具備眾多好處－尺寸更小（芯片或CSP）、功耗更低、成本更低、選擇更多（隨著容量密度越來越大，廠商和產品種類會越來越少）。對于可穿戴設備而言，尺寸、功耗和成本是所有設備組件的最重要的決定因素。

應用最廣泛的幀緩沖內存是動態(tài)RAM（DRAM），雖然常見的最高性能的內存是靜態(tài)RAM（SRAM）。DRAM的功耗高于SRAM，吞吐量低于后者。雖然SRAM的性能極高，是最新一代便攜設備的理想選擇，但大多數(shù)電池支持型設備并未使用它們，這是因為SRAM的產品種類較少，僅有低密度產品，最大128Mb。SRAM存儲單元的結構較復雜，由6個晶體管構成，而DRAM存儲單元由1個晶體管 + 1個電容器構成。這就是SRAM在增加密度上受限的原因所在，而這已經被證明是其最大的局限性。雖然SRAM因這個局限性未被應用于傳統(tǒng)的消費電子設備（PC、電視、手機等），但考慮到可穿戴設備所需的幀緩沖內存容量較小，SRAM對于可穿戴設備而言并非壞事。此外，在這些設備中，較高的性能（較高的吞吐量等同于較低的功耗）也是SRAM的一大優(yōu)勢。

隨著對高性能尤其是低功耗的需求的歸來，曾被視為已絕跡的內存類型－SRAM－似乎要重振雄風。

很多領先的SRAM廠商推出了一系列創(chuàng)新技術，主要是為了滿足可穿戴系統(tǒng)的需求：從更高的可靠性到新的封裝形式。在高清視頻錄制和處理領域，賽普拉斯也有一個不同凡響的HD幀緩沖器系列。