基于智能手機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化的低功耗設(shè)計(jì)方案

a)正常工作模式：主cpu工作模式為general clock gating mode；主cpu全速運(yùn)行；時(shí)鐘頻率為204 mhz。智能手機(jī)在這種狀態(tài)下功耗最大，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，如播放mp3、打電話、實(shí)際測(cè)量，這種模式下智能手機(jī)工作電流為200 ma左右。

b)空閑模式：主cpu工作模式為idle mode，主cpu主時(shí)鐘停止；時(shí)鐘頻 率為204 mhz。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(jī)畫面，特定的事件可以使智能手機(jī)空閑模式進(jìn)入正常工作模式，如點(diǎn)擊觸摸屏、定時(shí)喚 醒、按鍵、來電等。

c)睡眼模式：主cpu工作模式為sleep mode，除了主cpu內(nèi)部的喚醒邏輯打開外，其余全關(guān)閉；主cpu時(shí)鐘為使用36.768 khz的慢時(shí)鐘。除了modem以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時(shí)按開機(jī)鍵，使智能手機(jī)從睡眠模式下喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

d)關(guān)機(jī)模式：主cpu工作模式為stop mode，除了主cpu泄漏電流外，不消耗功率；主cpu關(guān)閉。智能手機(jī)必須重新開機(jī)之后，才能進(jìn)正常工作模式，實(shí)際測(cè)量，手機(jī)在這種模式下電流為 100μa。

從以上看出，智能手機(jī)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(dāng)用戶沒有對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過軟件設(shè)置，使手機(jī)盡快進(jìn)入空閑模式或 睡眠模

式；當(dāng)用戶對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過相應(yīng)的中斷喚醒主cpu，使手機(jī)恢復(fù)正常工作模式，處理完響應(yīng)的事件后迅速進(jìn)入空閑模式或睡眠模式。

2.2.2 關(guān)閉空閑的外設(shè)控制器和外設(shè)

在硬件系統(tǒng)的架構(gòu)中，可以看到，主cpu通過相應(yīng)的接口，外接了很多外部設(shè)備，例如lcd、攝像機(jī)、irda(紅外適配器)、藍(lán)牙、音頻編解碼器、功率放 大器等設(shè)備。當(dāng)智能手機(jī)處于正常工作模式時(shí)，對(duì)處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，可以通過主cpu的gpio口，控制給外設(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(dá)到關(guān)閉外設(shè)的目的。特別是對(duì)于大功耗的外設(shè)，必須對(duì)其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對(duì)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(shí)的功耗。

對(duì)于主cpu的各種接口控制器，一般不會(huì)全部用到，即使智能手機(jī)處于正常工作模式下，在不同運(yùn)行狀態(tài)，各種接口控制器的使用狀況也是不同的；接口控制器沒 有處于工作狀態(tài)，如不將其關(guān)閉，仍會(huì)消耗電流。對(duì)于主cpu來說，各外設(shè)接口控制器的電流消耗[2]如下：nand flash為2.9 ma；lcd為5.8 ma；usb host為0.4 ma；usb驅(qū)動(dòng)器為2.9 ma；定時(shí)器為0.5 ma；sdi為1.9 ma；uart為3.6 ma；rtc為0.4 ma；a／d轉(zhuǎn)換器為0.4 ma；iic為0.6 ma；iis為0.5 ma；spi為0.5 ma。

在圖1所示的智能手機(jī)硬件架構(gòu)中，spi接口、usb host接口沒有使用，因此可以通過設(shè)置spcono和hccontrol寄存器永遠(yuǎn)地關(guān)閉spi和usb host接口，這樣可以節(jié)省0.9(0.5+0.4)ma的電流。當(dāng)智能手機(jī)處于正常工作狀態(tài)下，可以對(duì)空閑的接口控制器進(jìn)行關(guān)閉，以進(jìn)一步降低智能手機(jī) 的功耗，還可以防止總線上倒灌電流的影響。

接口驅(qū)動(dòng)電路的低功耗設(shè)計(jì)

2.3 接口驅(qū)動(dòng)電路的低功耗設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇智能手機(jī)外圍芯片如sdram、lcd、攝像機(jī)、音頻編解碼器等器件時(shí)，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時(shí)的功耗。在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，必 須考慮以下幾個(gè)因素：

2.3.1 上拉電阻／下拉電阻的選取

軟件優(yōu)化是一個(gè)很重要的工作，可以大大提高軟件運(yùn)行時(shí)的效率和降低軟件運(yùn)行時(shí)的功耗。例如指令的重排，在不影響指令執(zhí)行結(jié)果的情況下，可以消除由于裝載延 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(jìn)制編碼后，不同之處就是各個(gè)寄存器操作數(shù)的二進(jìn)制編碼 不同。

根據(jù)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(shí)現(xiàn)同樣的功能，因 此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時(shí)的功耗小于原先指 令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能一致的情況下，通過對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時(shí)的功耗。

2.3.2 對(duì)懸空引腳的處理

對(duì)于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因?yàn)閏mos懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會(huì)導(dǎo)致輸入端信號(hào)電平隨機(jī)變化，導(dǎo)致cpu在休眠時(shí)不斷地被喚醒，從而無法進(jìn)入睡眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。所以正確的方法是，根據(jù)引腳的初始狀態(tài)，將未使用的輸入端接到相應(yīng)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

緩沖器有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動(dòng)能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频龋?dāng)僅僅基于驅(qū)動(dòng)能力的考慮增加緩沖器時(shí)，必須慎重考慮，因驅(qū)動(dòng)電流過大會(huì)導(dǎo)致更多的能量被浪費(fèi)掉。所以應(yīng)仔細(xì)檢查芯片的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅(qū)動(dòng)下級(jí)芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級(jí)芯片時(shí)應(yīng)盡量避免使用緩沖器。

2.4 電源供給電路

由于使用雙cpu架構(gòu)，外設(shè)很多，需要很多種電源。僅以主cpu來說，就需要1.3v、2.4v和2.8v電壓，因此需要很多電壓變化單元。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，主要用于壓差較小的場(chǎng)合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點(diǎn)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(diǎn)是效率高、升降壓靈活，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對(duì)較大，價(jià)格也比線性穩(wěn)壓高，對(duì)于升壓，只能使用dc／dc。因此，在設(shè)計(jì)中，對(duì)于電源紋波噪音要求不嚴(yán)的情況，都是使用dc／dc的電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機(jī)的功耗。

2.5 led燈的控制

智能手機(jī)電路中，鍵盤和lcd背光燈工作時(shí)會(huì)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15 ma，正向電壓典型值為14.4 v，背光燈消耗功率典型值為216 mw。