智能手机硬件体系结构样本.doc

智能手机硬件体系结构-06-04 本文起源：电子设计信息作者：厦门大学信息科学和技术学院 江有财 伴随通信产业不停发展，移动终端已经由原来单一通话功效向话音、数据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。 而对于移动终端，基础上能够分成两种：一个是传统手机(feature phone)；另一个是智能手机(smart phone)。智能手机含有传统手机基础功效，并有以下特点：开放操作系统、硬件和软件可扩充性和支持第三方二次开发。相对于传统手机，智能手机以其强大功效和便捷操作等特点，越来越得到大家青睐，将逐步成为市场一个时尚。 然而，作为一个便携式和移动性终端，完全依靠电池来供电，伴随智能手机功效越来越强大，其功率损耗也越来越大。所以，必需提升智能手机使用时间和待机时间。对于这个问题，有两种处理方案：一个是配置更大容量手机电池；另一个是改善系统设计，采取优异技术，降低手机功率损耗。 现阶段，手机配置电池以锂离子电池为主，即使锂离子电池能量密度比以往提升了近30，不过仍不能满足智能手机发展需求。就现在使用锂离子电池材料而言，能量密度只有20左右提升空间。而另一个被业界普遍看做是未来手机电池发展趋势燃料电池，能使智能手机通话时间超出13 h，待机时间长达1个月，不过这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时间1。增大手机电池容量总趋势上将会增加整机成本。 所以，从智能手机总体设计入手，应用优异技术和器件，进行降低功率损耗方案设计，从而尽可能延长智能手机使用时间和待机时间。实际上，低功耗设计已经成为智能手机设计中一个越来越迫切问题。 1 智能手机硬件系统架构 本文讨论智能手机硬件体系结构是使用双cpu架构，图1所表示。 主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统控制。从处理器为无线modem部分dbb(数字基带芯片)，关键完成语音信号ad转换、da转换、数字语音信号编解码、信道编解码和无线modem部分时序控制。主从处理器之间经过串口进行通信。主处理器采取xxx企业cpu芯片，它采取cmos工艺，拥有arm926ej-s内核，采取arm企业amba(优异微控制器总线体系结构)，内部含有16 kb指令cache、16 kb数据cache和mmu(存放器管理单元)。为了实现实时视频会议功效，携带了一个优化mpeg4硬件编解码器。能对大运算量mpeg4编解码和语音压缩解压缩进行硬件处理，从而能缓解arm内核运算压力。主处理器上含有lcd(液晶显示器)控制器、摄像机控制器、sdram和srom控制器、很多通用gpio口、sd卡接口等。这些使它能很出色地应用于智能手机设计中。 在智能手机硬件架构中，无线modem部分只要再加一定外围电路，如音频芯片、lcd、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是一个完整一般手机(传统手机)硬件电路。模拟基带(abb)语音信号引脚和音频编解码器芯片进行通信，组成通话过程中语音通道。 从这个硬件电路系统架构能够看出，功耗最大部分包含主处理器、无线modem、lcd和键盘背光灯、音频编解码器和功率放大器。所以，在设计中，怎样降低它们功耗，是一个很关键问题。 2 低功耗设计 2.1 降低cpu部分供电电压和频率 在数字集成电路设计中，cmos电路静态功耗很低，和其动态功耗相比基础能够忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为： pd=ctv2f(1) 式中：pd为cmos芯片动态功耗；ct为cmos芯片负载电容；v为cmos芯片工作电压；f为cmos芯片工作频率。 由式(1)可知，cmos电路中功率消耗和电路开关频率呈线性关系，和供电电压呈二次平方关系。对于cpu来说，vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大，所以，在能够正常满足系统性能前提下，尽可能选择低电压工作cpu。对于已经选定cpu来说，降低供电电压和工作频率，能够在总体功耗上取得很好效果。 对于主cpu来说，内核供电电压为1.3 v，已经很小，而且其全速运行时主频能够完全依据需要进行设置，其内部所需其它多种频率全部是经过主频分频产生。主cpu主频fcpu计算公式以下： 在coms芯片上，为了预防静电造成损坏，不用引脚不能悬空，通常接下拉电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提升输出电平，从而提升芯片输入信号噪声容限来增强抗干扰能力。不过在选择上拉电阻时， 必需要考虑以下几点： a)从节省功耗及芯片倒灌电流能力上考虑，上拉电阻应足够大，以减小电流； b)从确保足够驱动电流考虑，上拉电阻应足够小，以增大电流； c)在高速电路中，过大上拉电阻会使信号边缘变得平缓，信号完整性会变差。 所以，在考虑能够正常驱动后级情况下(即考虑芯片vih或vil)，尽可能选择更大阻值，以节省系统功耗。对于下拉电阻，情况类似。 2.3.2 对悬空引脚处理 对于系统中cmos器件悬空引脚，必需给重视。因为cmos悬空输入端输入阻抗极高，很可能感应部分电荷造成器件被高压击穿，而且还会造成输入端信号电平随机改变，造成cpu在休眠时不停地被唤醒，从而无法进入睡眠状态或其它莫名其妙故障。所以正确方法是，依据引脚初始状态，将未使用输入端接到对应供电电压来保持高电平，或经过接地来保持低电平。 2.3.3 缓冲器选择 缓冲器有很多功效，如电平转换、增加驱动能力、数据传输方向控制等，当仅仅基于驱动能力考虑增加缓冲器时，必需慎重考虑，因驱动电流过大会造成更多能量被浪费掉。所以应仔细检验芯片最大输出电流ioh和iol是否足够驱动下级芯片，当能够经过选择适宜前后级芯片时应尽可能避免使用缓冲器。 2.4 电源供给电路 因为使用双cpu架构，外设很多，需要很多个电源。仅以主cpu来说，就需要1.3v、2.4v和2.8v电压，所以需要很多电压改变单元。通常，有以下多个电压变换方法：线性调整器；dcdc；LDO(低漏失调整器)。其中ldo本质上是一个线性稳压器，关键用于压差较小场所，所以将其合并为线性稳压器。 线性稳压器特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差能够很大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率完全取决于输出电压大小。 dcdc电路特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹波噪声干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压，只能使用dcdc。所以，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严情况，全部是使用dcdc电压转换器件，这么能够有效地节省能量，降低智能手机功耗。 2.5 led灯控制 智能手机电路中，键盘和lcd背光灯工作时会消耗大量能量。比如本文架构中使用lcd，其背光灯电气要求以下： 正向电流经典值为15 ma，正向电压经典值为14.4 v，背光灯消耗功率经典值为216 mw。 由此能够看出，在正常工作时，lcd背景led灯功耗很大。所以，在设计中，必需降低led灯功耗。能够经过以下方法： a)在led灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制led灯工作时电流。 b)利用人眼迟滞效应，使用pwm(脉宽调制)信号来控制led灯开关。 在主cpu中，经过配置寄存器gpcon_u、gpcon_l能够把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm信号输出，再配置内部对应寄存器，控制pwm输出信号频率和占空比，作为控制引脚来控制led背光灯，以此来降低lcd背光灯功耗。 ; c)在手机图形界面上提供一个调整背光灯亮度界面，让用户在系统设置led灯亮度基础上，深入调整背关灯亮度，这么，既增加了手机使用灵活性，又深入降低了手机功耗。 2.6 无线modem部分控制 图1所表示，智能手机硬件体系结构采取双cpu架构，无线modem作为主cpu一个外设，和主cpu芯片其它外设相比，含有其特殊性，比如当智能手机处于睡眠模式时，能够直接关闭lcd、摄像机等外设供电电源，而无线modem不行，必需要求无线modem含有继续等候来电、搜索网络等功效，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中无线modem方案，其中也拥有一个系统，内部运行完整gsm(全球移动通信系统)协议和独立电源管理模块，主cpu能够经过uart口和无线modem进行电源管理协商。无线modem内部电源管理由自己来控制，当无线modem处于空闲状态时，自己能完好地进入和退出待机模式。所以，在本文硬件架构设计上，当智能手机开机时，给无线modem加电、关机时，对modem进行断电。 2.7 软件优化 式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv、pdiv和sdiv能够经过寄存器进行设置。 所以，设计中确定主cpu主频对于整个系统功耗和性能是一个关键。本文在综合考虑系统性能和功耗基础上，设置主cpu主频为204 mhz。 2.2 dpm dpm(动态电源管理)是在系统运行期间经过对系统时钟或电压动态控制来达成节省功率目标，这种动态控制和系统运行状态亲密相关，该工作往往经过软件来实现3,4。 2.2.1 定义不一样工作模式 在硬件架构中智能手机工作模式和主cpu工作模式亲密相关。为了降低功耗，主cpu定义了4种工作模式：general clock gating mode；idle mode：sleep mode；stop mode。在主cpu主频确定情况下，智能手机中定义了对应4种工作模式：正常工作模式(normal)；空闲模式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off)。多种模式说明以下： a)正常工作模式：主cpu工作模式为general clock gating mode；主cpu全速运行；时钟频率为204 mhz。智能手机在这种状态下功耗最大，依据不一样运行状态，如播放mp3、打电话、实际测量，这种模式下智能手机工作电流为200 ma左右。 b)空闲模式：主cpu工作模式为idle mode，主cpu主时钟停止；时钟频 率为204 mhz。在空闲状态下，键盘背关灯和lcd背光灯关闭，lcd上有待机画面，特定事件能够使智能手机空闲模式进入正常工作模式，如点击触摸屏、定时唤醒、按键、来电等。 c)睡眼模式：主cpu工作模式为sleep mode，除了主cpu内部唤醒逻辑打开外，其它全关闭；主cpu时钟为使用36.768 khz慢时钟。除了modem以外，外设全部关闭，定义短时按开机键，使智能手机从睡眠模式下唤醒进入正常工作状态。 d)关机模式：主cpu工作模式为stop mode，除了主cpu泄漏电流外，不消耗功率；主cpu关闭。智能手机必需重新开机以后，才能进正常工作模式，实际测量，手机在这种模式下电流为100a。 从以上看出，智能手机在正常工作模式下功率比空闲模式、睡眠模式下大得多。所以，当用户没有对手机进行操作时，经过软件设置，使手机立即进入空闲模式或睡眠模 式；当用户对手机进行操作时，经过对应中止唤醒主cpu，使手机恢复正常工作模式，处理完响应事件后快速进入空闲模式或睡眠模式。 2.2.2 关闭空闲外设控制器和外设 在硬件系统架构中，能够看到，主cpu经过对应接口，外接了很多外部设备，比如lcd、摄像机、irda(红外适配器)、蓝牙、音频编解码器、功率放大器等设备。当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态外设，能够经过主cpugpio口，控制给外设供电LDO或dcdc电源芯片，经过关闭外设供电电源芯片，以达成关闭外设目标。尤其是对于大功耗外设，必需对其进行可靠关闭。对于部分正在工作外设，如音频编解码器，经过设置内部寄存器，关闭芯片内部不使用通道、功率放大器、da转换器等，以降低这些器件工作时功耗。 对于主cpu多种接口控制器，通常不会全部用到，即使智能手机处于正常工作模式下，在不一样运行状态，多种接口控制器使用情况也是不一样；接口控制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流。对于主cpu来说，各外设接口控制器电流消耗2以下：nand flash为2.9 ma；lcd为5.8 ma；usb host为0.4 ma；usb驱动器为2.9 ma；定时器为0.5 ma；sdi为1.9 ma；uart为3.6 ma；rtc为0.4 ma；ad转换器为0.4 ma；iic为0.6 ma；iis为0.5 ma；spi为0.5 ma。 在图1所表示智能手机硬件架构中，spi接口、usb host接口没有使用，所以能够经过设置spcono和hccontrol寄存器永远地关闭spi和usb host接口，这么能够节省0.9(0.5+0.4)ma电流。当智能手机处于正常工作状态下，能够对空闲接口控制器进行关闭，以深入降低智能手机功耗，还能够预防总线上倒灌电流影响。 2.3 接口驱动电路低功耗设计 当选择智能手机外围芯片如sdram、lcd、摄像机、音频编解码器等器件时，除了要考虑其性能外，还必需考虑其正常工作时功耗。在设计接口电路时，必需考虑以下多个原因： 2.3.1 上拉电阻下拉电阻选择 软件优化是一个很关键工作，能够大大提升软件运行时效率和降低软件运行时功耗。比如指令重排，在不影响指令实施结果情况下，能够消除因为装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引发指令流水线失效5。如表1所表示arm汇编，把指令转变成二进制编码后，不一样之处就是各个寄存器操作数二进制编码不一样。 依据表1，从电气性能上来看，经过减小连续指令之间汉明(hamming)距离，原代码比优化后代码比特位改变多6次，而两组代码实现一样功效，所以，优化后指令实施时功耗小于原先指 令。所以，系统软件完成后，在确保软件功效一致情况下，经过对代码进行优化，能够减小软件在实施时功耗。 3 试验结果和讨论 在智能手机设计中，经过不停进行硬件优化和在软件上实现电源动态管理，测量智能手机在空闲模式和睡眠模式下功率损耗，结果如表2所表示。 依据表1，从电气性能上来看，经过减小连续指令之间汉明(hamming)距离，原代码比优化后代码比特位改变多6次，而两组代码实现一样功效，所以，优化后指令实施时功耗小于原先指 令。所以，系统软件完成后，在确保软件功效一致情况下，经过对代码进行优化，能够减小软件在实施时功耗。 从表2能够看出，经过优化设计，智能手机在空闲模式下，电流值减小了10.2 ma，在睡眠模式下，电流值降低了1.5 ma。对于无线modem，因为本身含有独立电源管理模块，基础上在3 ma左右，改变不大。相比未经优化设计，智能手机经过优化设计后，在睡眠模式下和空闲模式下，功率损耗有了显著降低，在相同电池容量下，大大提升了智能手机待机时间和使用时间。所以，经过上述方法，能够有效地降低智能手机功耗。 伴随手机技术发展，尤其在智能手机设计中，低功耗设计会成为一个越来越迫切问题。伴随部分新技术出现并应用于智能手机设计中，比如优异电源管理芯片、优异处理器，给设计者提供了更大灵活性，能够大大降低智能手机功耗。不过，作为设计者，在进行系统设计和软件编程时，必需时时考虑怎样降低系统功耗，只有这么，设计出系统才能拥有一个良好性能，得到用户青睐。