智能手機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)

　　隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動(dòng)終端已經(jīng)由原來(lái)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。

　　而對(duì)于移動(dòng)終端，基本上可以分成兩種：一種是傳統(tǒng)手機(jī)(feature phone)；另一種是智能手機(jī)(smart phone)。智能手機(jī)具有傳統(tǒng)手機(jī)的基本功能，并有以下特點(diǎn)：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟件的可擴(kuò)充性和支持第三方的二次開發(fā)。相對(duì)于傳統(tǒng)手機(jī)，智能手機(jī)以其強(qiáng)大的功能和便捷的操作等特點(diǎn)，越來(lái)越得到人們的青睞，將逐漸成為市場(chǎng)的一種潮流。

　　然而，作為一種便攜式和移動(dòng)性的終端，完全依靠電池來(lái)供電，隨著智能手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，其功率損耗也越來(lái)越大。因此，必須提高智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機(jī)電池；另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機(jī)的功率損耗。

　　現(xiàn)階段，手機(jī)配備的電池以鋰離子電池為主，雖然鋰離子電池的能量密度比以往提升了近30％，但是仍不能滿足智能手機(jī)發(fā)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)界普遍看做是未來(lái)手機(jī)電池發(fā)展趨勢(shì)的燃料電池，能使智能手機(jī)的通話時(shí)間超過(guò)13 h，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，但是這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時(shí)間[1]。增大手機(jī)電池容量總的趨勢(shì)上將會(huì)增加整機(jī)的成本。

　　因此，從智能手機(jī)的總體設(shè)計(jì)入手，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和器件，進(jìn)行降低功率損耗的方案設(shè)計(jì)，從而盡可能延長(zhǎng)智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。事實(shí)上，低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為智能手機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

　　1 智能手機(jī)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)

　　本文討論的智能手機(jī)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(yùn)行開放式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制。從處理器為無(wú)線modem部分的dbb(數(shù)字基帶芯片)，主要完成語(yǔ)音信號(hào)的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的編解碼、信道編解碼和無(wú)線modem部分的時(shí)序控制。主從處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。主處理器采用xxx公司的cpu芯片，它采用cmos工藝，擁有arm926ej-s內(nèi)核，采用arm公司的amba(先進(jìn)的微控制器總線體系結(jié)構(gòu))，內(nèi)部含有16 kb的指令cache、16 kb的數(shù)據(jù)cache和mmu(存儲(chǔ)器管理單元)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議功能，攜帶了一個(gè)優(yōu)化的mpeg4硬件編解碼器。能對(duì)大運(yùn)算量的mpeg4編解碼和語(yǔ)音壓縮解壓縮進(jìn)行硬件處理，從而能緩解arm內(nèi)核的運(yùn)算壓力。主處理器上含有l(wèi)cd(液晶顯示器)控制器、攝像機(jī)控制器、sdram和srom控制器、很多通用的gpio口、sd卡接口等。這些使它能很出色地應(yīng)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中。

　　在智能手機(jī)的硬件架構(gòu)中，無(wú)線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機(jī)控制器、傳聲器、揚(yáng)聲器、功率放大器、天線等，就是一個(gè)完整的普通手機(jī)(傳統(tǒng)手機(jī))的硬件電路。模擬基帶(abb)語(yǔ)音信號(hào)引腳和音頻編解碼器芯片進(jìn)行通信，構(gòu)成通話過(guò)程中的語(yǔ)音通道。

　　從這個(gè)硬件電路的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，功耗最大的部分包括主處理器、無(wú)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(jì)中，如何降低它們的功耗，是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

　　2 低功耗設(shè)計(jì)

　　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(jì)中，cmos電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)，故暫不考慮。其動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為：

　　pd="ctv2f"　　　　(1)

　　式中：pd為cmos芯片的動(dòng)態(tài)功耗；ct為cmos芯片的負(fù)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。對(duì)于cpu來(lái)說(shuō)，vcore電壓越高，時(shí)鐘頻率越快，則功率消耗越大，所以，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。對(duì)于已經(jīng)選定的cpu來(lái)說(shuō)，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。

　　對(duì)于主cpu來(lái)說(shuō)，內(nèi)核供電電壓為1.3 v，已經(jīng)很小，而且其全速運(yùn)行時(shí)的主頻可以完全根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，其內(nèi)部所需的其他各種頻率都是通過(guò)主頻分頻產(chǎn)生。主cpu主頻fcpu計(jì)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(lái)降低輸入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉電阻來(lái)提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限來(lái)增強(qiáng)抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時(shí)，必須要考慮以下幾點(diǎn)：

　　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(yīng)足夠大，以減小電流；

　　b)從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮，上拉電阻應(yīng)足夠小，以增大電流；

　　c)在高速電路中，過(guò)大的上拉電阻會(huì)使信號(hào)邊沿變得平緩，信號(hào)完整性會(huì)變差。

　　因此，在考慮能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)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)省系統(tǒng)的功耗。對(duì)于下拉電阻，情況類似。

　　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(wú)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(lái)保持高電平，或通過(guò)接地來(lái)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?，?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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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。

　　由此可以看出，在正常工作時(shí)，lcd背景l(fā)ed燈功耗非常大。因此，在設(shè)計(jì)中，必須降低led燈的功耗?？梢酝ㄟ^(guò)以下方法：

　　a)在led燈回路中短接一個(gè)小電阻，改變阻值，用來(lái)控制led燈工作時(shí)的電流。

　　b)利用人眼的遲滯效應(yīng)，使用pwm(脈寬調(diào)制)信號(hào)來(lái)控制led燈的開關(guān)。

　　在主cpu中，通過(guò)配置寄存器gpcon_u、gpcon_l可以把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm信號(hào)輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存器，控制pwm輸出信號(hào)的頻率和占空比，作為控制引腳來(lái)控制led背光燈，以此來(lái)降低lcd背光燈的功耗。

　　c)在手機(jī)圖形界面上提供一個(gè)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(jìn)一步調(diào)節(jié)背關(guān)燈的亮度，這樣，既增加了手機(jī)使用的靈活性，又進(jìn)一步降低了手機(jī)的功耗。

　　2.6 無(wú)線modem部分的控制

　　如圖1所示，智能手機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)采用雙cpu架構(gòu)，無(wú)線modem作為主cpu的一個(gè)外設(shè)，與主cpu芯片的其他外設(shè)相比，具有其特殊性，例如當(dāng)智能手機(jī)處于睡眠模式時(shí)，可以直接關(guān)閉lcd、攝像機(jī)等外設(shè)的供電電源，而無(wú)線modem不行，必須要求無(wú)線modem具有繼續(xù)等待來(lái)電、搜索網(wǎng)絡(luò)等功能，而不能直接將其關(guān)閉。而對(duì)于本文硬件架構(gòu)中的無(wú)線modem方案，其中也擁有一個(gè)系統(tǒng)，內(nèi)部運(yùn)行完整的gsm(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))協(xié)議和獨(dú)立的電源管理模塊，主cpu可以通過(guò)uart口和無(wú)線modem進(jìn)行電源管理協(xié)商。無(wú)線modem內(nèi)部的電源管理由自己來(lái)控制，當(dāng)無(wú)線modem處于空閑狀態(tài)時(shí)，自己能完好地進(jìn)入和退出待機(jī)模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，當(dāng)智能手機(jī)開機(jī)時(shí)，給無(wú)線modem加電、關(guān)機(jī)時(shí)，對(duì)modem進(jìn)行斷電。

　　2.7 軟件優(yōu)化

　　式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv、pdiv和sdiv可以通過(guò)寄存器進(jìn)行設(shè)置。

　　因此，設(shè)計(jì)中確定主cpu主頻對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功耗和性能是一個(gè)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204 mhz。

　　2.2 dpm

　　dpm(動(dòng)態(tài)電源管理)是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)控制來(lái)達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動(dòng)態(tài)控制與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，該工作往往通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)[3,4]。