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

中心議題：

*　智能手機(jī)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)

*　智能手機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

隨著智能手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，其功率損耗也越來越大。如何提高智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間，是大家都非常關(guān)注的問題。在配備更大容量的手機(jī)電池作用有限的情況下，本文揭示了如何采用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以降低手機(jī)功率損耗。

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(dòng)性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，其功率損耗也越來越大。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13 h，待機(jī)時(shí)間長達(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。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)越來越迫切的問題。

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。從處理器為無線modem部分的dbb(數(shù)字基帶芯片)，主要完成語音信號(hào)的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號(hào)的編解碼、信道編解碼和無線modem部分的時(shí)序控制。主從處理器之間通過串口進(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)成通話過程中的語音通道。

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)很重要的問題。

智能手機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)

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來說，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來說，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來說，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(hào)的噪聲容限來增強(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。

2.2 dpm

dpm(動(dòng)態(tài)電源管理)是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)控制來達(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 軟件來實(shí)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(jī)的工作模式與主cpu的工作模式密切相關(guān)。為了降低功耗，主cpu定義了4種工作模式：general clock gating mode；idle mode：sleep mode；stop mode。在主cpu主頻確定的情況下，智能手機(jī)中定義了對(duì)應(yīng)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(jī)模式(off)。各種模式說明如下：