智能手機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)及其低功耗設(shè)計(jì)

       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

       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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(huà)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(xiàn)modem、lcd和鍵盤(pán)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。{{分頁(yè)}}

      由式(1)可知，cmos電路中的功率消耗與電路的開(kāi)關(guān)頻率呈線(xiàn)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(mǎn)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)，

       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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性穩(wěn)壓器。

       線(xiàn)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(xiàn)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(pán)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。可以通過(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(kāi)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。

       2.6 無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)modem不行，必須要求無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)modem進(jìn)行電源管理協(xié)商。無(wú)線(xiàn)modem內(nèi)部的電源管理由自己來(lái)控制，當(dāng)無(wú)線(xiàn)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(kāi)機(jī)時(shí)，給無(wú)線(xiàn)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]。

       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(shuō)明如下：

       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(huà)、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(pán)背關(guān)燈和lcd背光燈關(guān)閉，lcd上有待機(jī)畫(huà)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(hù)沒(méi)有對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過(guò)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(hù)對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(lái)說(shuō)，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(méi)有使用，因此可以通過(guò)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(xiàn)上倒灌電流的影響。

       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(xiàn)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。{{分頁(yè)}}

       根據(jù)表1，從電氣性能上來(lái)看，通過(guò)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(guò)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。 

      3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

       在智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)不斷進(jìn)行硬件優(yōu)化和在軟件上實(shí)現(xiàn)電源的動(dòng)態(tài)管理，測(cè)量智能手機(jī)在空閑模式和睡眠模式下的功率損耗，結(jié)果如表2所示。

       從表2可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能手機(jī)在空閑模式下，電流值減小了10.2 ma，在睡眠模式下，電流值減少了1.5 ma。對(duì)于無(wú)線(xiàn)modem，由于自身含有獨(dú)立的電源管理模塊，基本上在3 ma左右，變化不大。相比未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能手機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在睡眠模式下和空閑模式下，功率損耗有了顯著的降低，在相同的電池容量下，大大提高了智能手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和使用時(shí)間。因此，通過(guò)上述方法，可以有效地降低智能手機(jī)的功耗。

       隨著手機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 特別在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)會(huì)成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，例如先進(jìn)的電源管理芯片、先進(jìn)的處理器，給設(shè)計(jì)者提供了更大的靈活性，可以大大降低智能手機(jī)功耗。但是，作為設(shè)計(jì)者，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)，必須時(shí)時(shí)考慮如何降低系統(tǒng)的功耗，只有這樣，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)才能擁有一個(gè)良好的性能，得到用戶(hù)的青睞。