16/16智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)2008-06-04

本文來源：電子設(shè)計信息

作者：廈門大學信息科學與技術(shù)學院江有財

隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷進展，移動終端差不多由原來單一的通話功能向話音、數(shù)據(jù)、圖像、音樂和多媒體方向綜合演變。

而關(guān)于移動終端，差不多上能夠分成兩種：一種是傳統(tǒng)手機(featurephone)；另一種是智能手機(smartphone)。智能手機具有傳統(tǒng)手機的差不多功能，并有以下特點：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟件的可擴充性和支持第三方的二次開發(fā)。相關(guān)于傳統(tǒng)手機，智能手機以其強大的功能和便捷的操作等特點，越來越得到人們的青睞，將逐漸成為市場的一種潮流。然而，作為一種便攜式和移動性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。因此，必須提高智能手機的使用時刻和待機時刻。關(guān)于那個問題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機電池；另一種是改進系統(tǒng)設(shè)計，采納先進技術(shù)，降低手機的功率損耗?，F(xiàn)時期，手機配備的電池以鋰離子電池為主，盡管鋰離子電池的能量密度比以往提升了近30％，然而仍不能滿足智能手機進展需求。就目前使用的鋰離子電池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空間。而另一種被業(yè)界普遍看做是以后手機電池進展趨勢的燃料電池，能使智能手機的通話時刻超過13h，待機時刻長達1個月，然而這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時刻[1]。增大手機電池容量總的趨勢上將會增加整機的成本。因此，從智能手機的總體設(shè)計入手，應用先進的技術(shù)和器件，進行降低功率損耗的方案設(shè)計，從而盡可能延長智能手機的使用時刻和待機時刻。事實上，低功耗設(shè)計差不多成為智能手機設(shè)計中一個越來越迫切的問題。

1智能手機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)本文討論的智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)是使用雙cpu架構(gòu)，如圖1所示。

主處理器運行開放式操作系統(tǒng)，負責整個系統(tǒng)的操縱。從處理器為無線modem部分的dbb(數(shù)字基帶芯片)，要緊完成語音信號的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號的編解碼、信道編解碼和無線modem部分的時序操縱。主從處理器之間通過串口進行通信。主處理器采納xxx公司的cpu芯片，它采納cmos工藝，擁有arm926ej-s內(nèi)核，采納arm公司的amba(先進的微操縱器總線體系結(jié)構(gòu))，內(nèi)部含有16kb的指令cache、16kb的數(shù)據(jù)cache和mmu(存儲器治理單元)。為了實現(xiàn)實時的視頻會議功能，攜帶了一個優(yōu)化的mpeg4硬件編解碼器。能對大運算量的mpeg4編解碼和語音壓縮解壓縮進行硬件處理，從而能緩解arm內(nèi)核的運算壓力。主處理器上含有l(wèi)cd(液晶顯示器)操縱器、攝像機操縱器、sdram和srom操縱器、專門多通用的gpio口、sd卡接口等。這些使它能專門出色地應用于智能手機的設(shè)計中。在智能手機的硬件架構(gòu)中，無線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機操縱器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等，確實是一個完整的一般手機(傳統(tǒng)手機)的硬件電路。模擬基帶(abb)語音信號引腳和音頻編解碼器芯片進行通信，構(gòu)成通話過程中的語音通道。從那個硬件電路的系統(tǒng)架構(gòu)能夠看出，功耗最大的部分包括主處理器、無線modem、lcd和鍵盤的背光燈、音頻編解碼器和功率放大器。因此，在設(shè)計中，如何降低它們的功耗，是一個專門重要的問題。2低功耗設(shè)計2.1降低cpu部分的供電電壓和頻率在數(shù)字集成電路設(shè)計中，cmos電路的靜態(tài)功耗專門低，與其動態(tài)功耗相比差不多能夠忽略不計，故暫不考慮。其動態(tài)功耗計算公式為：pd="ctv2f"(1)式中：pd為cmos芯片的動態(tài)功耗；ct為cmos芯片的負載電容；v為cmos芯片的工作電壓；f為cmos芯片的工作頻率。由式(1)可知，cmos電路中的功率消耗與電路的開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與供電電壓呈二次平方關(guān)系。關(guān)于cpu來講，vcore電壓越高，時鐘頻率越快，則功率消耗越大，因此，在能夠正常滿足系統(tǒng)性能的前提下，盡可能選擇低電壓工作的cpu。關(guān)于差不多選定的cpu來講，降低供電電壓和工作頻率，能夠在總體功耗上取得較好的效果。關(guān)于主cpu來講，內(nèi)核供電電壓為1.3v，差不多專門小，而且其全速運行時的主頻能夠完全依照需要進行設(shè)置，其內(nèi)部所需的其他各種頻率差不多上通過主頻分頻產(chǎn)生。主cpu主頻fcpu計算公式如下：在coms芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的引腳不能懸空，一般接下拉電阻來降低輸入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限來增強抗干擾能力。然而在選擇上拉電阻時，

必須要考慮以下幾點：a)從節(jié)約功耗及芯片的倒灌電流能力上考慮，上拉電阻應足夠大，以減小電流；b)從確保足夠的驅(qū)動電流考慮，上拉電阻應足夠小，以增大電流；c)在高速電路中，過大的上拉電阻會使信號邊沿變得平緩，信號完整性會變差。因此，在考慮能夠正常驅(qū)動后級的情況下(即考慮芯片的vih或vil)，盡可能選取更大的阻值，以節(jié)約系統(tǒng)的功耗。關(guān)于下拉電阻，情況類似。2.3.2對懸空引腳的處理關(guān)于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因為cmos懸空的輸入端的輸入阻抗極高，專門可能感應一些電荷導致器件被高壓擊穿，而且還會導致輸入端信號電平隨機變化，導致cpu在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進入睡眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。因此正確的方法是，依照引腳的初始狀態(tài)，將未使用的輸入端接到相應的供電電壓來保持高電平，或通過接地來保持低電平。2.3.3緩沖器的選擇緩沖器有專門多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虿倏v等，當僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加緩沖器時，必須慎重考慮，因驅(qū)動電流過大會導致更多的能量被白費掉。因此應認真檢查芯片的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅(qū)動下級芯片，當能夠通過選取合適的前后級芯片時應盡量幸免使用緩沖器。2.4電源供給電路由于使用雙cpu架構(gòu)，外設(shè)專門多，需要專門多種電源。僅以主cpu來講，就需要1.3v、2.4v和2.8v電壓，因此需要專門多電壓變化單元。通常，有以下幾種電壓變換方式：線性調(diào)節(jié)器；dc／dc；LDO(低漏失調(diào)節(jié)器)。其中l(wèi)do本質(zhì)上是一種線性穩(wěn)壓器，要緊用于壓差較小的場合，因此將其合并為線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差能夠?qū)ｉT大，但其致命弱點是效率低、功耗高，其效率η完全取決于輸出電壓大小。dc／dc電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對較大，價格也比線性穩(wěn)壓高，關(guān)于升壓，只能使用dc／dc。因此，在設(shè)計中，關(guān)于電源紋波噪音要求不嚴的情況，差不多上使用dc／dc的電壓轉(zhuǎn)換器件，如此能夠有效地節(jié)約能量，降低智能手機的功耗。2.5led燈的操縱智能手機電路中，鍵盤和lcd背光燈工作時會消耗大量能量。例如本文架構(gòu)中使用的lcd，其背光燈電氣要求如下：正向電流典型值為15ma，正向電壓典型值為14.4v，背光燈消耗功率典型值為216mw。由此能夠看出，在正常工作時，lcd背景l(fā)ed燈功耗特不大。因此，在設(shè)計中，必須降低led燈的功耗。能夠通過以下方法：a)在led燈回路中短接一個小電阻，改變阻值，用來操縱led燈工作時的電流。b)利用人眼的遲滯效應，使用pwm(脈寬調(diào)制)信號來操縱led燈的開關(guān)。在主cpu中，通過配置寄存器gpcon_u、gpcon_l能夠把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm信號輸出，再配置內(nèi)部相應的寄存器，操縱pwm輸出信號的頻率和占空比，作為操縱引腳來操縱led背光燈，以此來降低lcd背光燈的功耗。;c)在手機圖形界面上提供一個調(diào)節(jié)背光燈亮度的界面，讓用戶在系統(tǒng)設(shè)置的led燈亮度基礎(chǔ)上，進一步調(diào)節(jié)背關(guān)燈的亮度，如此，既增加了手機使用的靈活性，又進一步降低了手機的功耗。2.6無線modem部分的操縱如圖1所示，智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)采納雙cpu架構(gòu)，無線modem作為主cpu的一個外設(shè)，與主cpu芯片的其他外設(shè)相比，具有其專門性，例如當智能手機處于睡眠模式時，能夠直接關(guān)閉lcd、攝像機等外設(shè)的供電電源，而無線modem不行，必須要求無線modem具有接著等待來電、搜索網(wǎng)絡(luò)等功能，而不能直接將其關(guān)閉。而關(guān)于本文硬件架構(gòu)中的無線modem方案，其中也擁有一個系統(tǒng)，內(nèi)部運行完整的gsm(全球移動通信系統(tǒng))協(xié)議和獨立的電源治理模塊，主cpu能夠通過uart口和無線modem進行電源治理協(xié)商。無線modem內(nèi)部的電源治理由自己來操縱，當無線modem處于空閑狀態(tài)時，自己能完好地進入和退出待機模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設(shè)計上，當智能手機開機時，給無線modem加電、關(guān)機時，對modem進行斷電。2.7軟件優(yōu)化式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv、pdiv和sdiv能夠通過寄存器進行設(shè)置。因此，設(shè)計中確定主cpu主頻關(guān)于整個系統(tǒng)的功耗和性能是一個關(guān)鍵。本文在綜合考慮系統(tǒng)性能和功耗的基礎(chǔ)上，設(shè)置主cpu主頻為204mhz。2.2dpmdpm(動態(tài)電源治理)是在系統(tǒng)運行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)操縱來達到節(jié)約功率的目的，這種動態(tài)操縱與系統(tǒng)的運行狀態(tài)緊密相關(guān)，該工作往往通過軟件來實現(xiàn)[3,4]。2.2.1定義不同的工作模式在硬件架構(gòu)中智能手機的工作模式與主cpu的工作模式緊密相關(guān)。為了降低功耗，主cpu定義了4種工作模式：generalclockgatingmode；idlemode：sleepmode；stopmode。在主cpu主頻確定的情況下，智能手機中定義了對應的4種工作模式：正常工作模式(normal)；空閑模式(idle)；睡眠模式(sleep)；關(guān)機模式(off)。各種模式講明如下：a)正常工作模式：主cpu工作模式為generalclockgatingmode；主cpu全速運行；時鐘頻率為204mhz。智能手機在這種狀態(tài)下功耗最大，依照不同的運行狀態(tài)，如播放mp3、打電話、實際測量，這種模式下智能手機工作電流為200ma左右。b)空閑模式：主cpu工作模式為idlemode，主cpu主時鐘停止；時鐘頻率為204mhz。在空閑狀態(tài)下，鍵盤背關(guān)燈和lcd背光燈關(guān)閉，lcd上有待機畫面，特定的事件能夠使智能手機空閑模式進入正常工作模式，如點擊觸摸屏、定時喚醒、按鍵、來電等。c)睡眼模式：主cpu工作模式為sleepmode，除了主cpu內(nèi)部的喚醒邏輯打開外，其余全關(guān)閉；主cpu時鐘為使用36.768khz的慢時鐘。除了modem以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時按開機鍵，使智能手機從睡眠模式下喚醒進入正常工作狀態(tài)。d)關(guān)機模式：主cpu工作模式為stopmode，除了主cpu泄漏電流外，不消耗功率；主cpu關(guān)閉。智能手機必須重新開機之后，才能進正常工作模式，實際測量，手機在這種模式下電流為100μa。從以上看出，智能手機在正常工作模式下的功率比空閑模式、睡眠模式下大得多。因此，當用戶沒有對手機進行操作時，通過軟件設(shè)置，使手機盡快進入空閑模式或睡眠模

式；當用戶對手機進行操作時，通過相應的中斷喚醒主cpu，使手機恢復正常工作模式，處理完響應的事件后迅速進入空閑模式或睡眠模式。2.2.2關(guān)閉空閑的外設(shè)操縱器和外設(shè)在硬件系統(tǒng)的架構(gòu)中，能夠看到，主cpu通過相應的接口，外接了專門多外部設(shè)備，例如lcd、攝像機、irda(紅外適配器)、藍牙、音頻編解碼器、功率放大器等設(shè)備。當智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，能夠通過主cpu的gpio口，操縱給外設(shè)供電的LDO或者dc／dc電源芯片，通過關(guān)閉外設(shè)的供電電源芯片，以達到關(guān)閉外設(shè)的目的。特不是關(guān)于大功耗的外設(shè)，必須對其進行可靠的關(guān)閉。關(guān)于一些正在工作的外設(shè)，如音頻編解碼器，通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器，關(guān)閉芯片內(nèi)部不使用的通道、功率放大器、d／a轉(zhuǎn)換器等，以降低這些器件工作時的功耗。關(guān)于主cpu的各種接口操縱器，一般可不能全部用到，即使智能手機處于正常工作模式下，在不同運行狀態(tài)，各種接口操縱器的使用狀況也是不同的；接口操縱器沒有處于工作狀態(tài)，如不將其關(guān)閉，仍會消耗電流。關(guān)于主cpu來講，各外設(shè)接口操縱器的電流消耗[2]如下：nandflash為2.9ma；lcd為5.8ma；usbhost為0.4ma；usb驅(qū)動器為2.9ma；定時器為0.5ma；sdi為1.9ma；uart為3.6ma；rtc為0.4ma；a／d轉(zhuǎn)換器為0.4ma；iic為0.6ma；iis為0.5ma；spi為0.5ma。在圖1所示的智能手機硬件架構(gòu)中，spi接口、usbhost接口沒有使用，因此能夠通過設(shè)置spcono和hccontrol寄存器永久地關(guān)閉spi和usbhost接口，如此能夠節(jié)約0.9(0.5+0.4)ma的電流。當智能手機處于正常工作狀態(tài)下，能夠?qū)臻e的接口操縱器進行關(guān)閉，以進一步降低智能手機的功耗，還能夠防止總線上倒灌電流的阻礙。2.3接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計當選擇智能手機外圍芯片如sdram、lcd、攝像機、音頻編解碼器等器件時，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時的功耗。在設(shè)計接口電路時，必須考慮以下幾個因素：2.3.1上拉電阻／下拉電阻的選取軟件優(yōu)化是一個專門重要的工作，能夠大大提高軟件運行時的效率和降低軟件運行時的功耗。例如指令的重排，在不阻礙指令執(zhí)行結(jié)果的情況下，能夠消除由于裝載延遲、分支延遲、跳轉(zhuǎn)延遲等引起的指令流水線的失效[5]。如表1所示的arm匯編，把指令轉(zhuǎn)變成二進制編碼后，不同之處確實是各個寄存器操作數(shù)的二進制編碼不同。依照表1，從電氣性能上來看，通過減小連續(xù)指令之間的漢明(hamming)距離，原代碼比優(yōu)化后代碼的比特位變化多6次，而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能，因此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時的功耗小于原先指令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能