智能手機的硬件體系結構

　　2.2.1 定義不同的工作模式

　　在硬件架構中智能手機的工作模式與主cpu的工作模式密切相關。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，智能手機中定義了對應的4種工作模式：正常工作模式(normal)；空閑模式(idle)；睡眠模式(sleep)；關機模式(off)。各種模式說明如下：

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

　　b)空閑模式：主cpu工作模式為idle mode，主cpu主時鐘停止；時鐘頻 率為204 mhz。在空閑狀態(tài)下，鍵盤背關燈和lcd背光燈關閉，lcd上有待機畫面，特定的事件可以使智能手機空閑模式進入正常工作模式，如點擊觸摸屏、定時喚醒、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，其余全關閉；主cpu時鐘為使用36.768 khz的慢時鐘。除了modem以外，外設全部關閉，定義短時按開機鍵，使智能手機從睡眠模式下喚醒進入正常工作狀態(tài)。

　　d)關機模式：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關閉。智能手機必須重新開機之后，才能進正常工作模式，實際測量，手機在這種模式下電流為100μa。

　　從以上看出，智能手機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，當用戶沒有對手機進行操作時，通過軟件設置，使手機盡快進入空閑模式或睡眠模
式；當用戶對手機進行操作時，通過相應的中斷喚醒主cpu，使手機恢復正常工作模式，處理完響應的事件后迅速進入空閑模式或睡眠模式。

　　2.2.2 關閉空閑的外設控制器和外設

　　在硬件系統(tǒng)的架構中，可以看到，主cpu通過相應的接口，外接了很多外部設備，例如lcd、攝像機、irda(紅外適配器)、藍牙、音頻編解碼器、功率放大器等設備。當智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(tài)的外設，可以通過主cpu的gpio口，控制給外設供電的LDO或者dc／dc電源芯片，通過關閉外設的供電電源芯片，以達到關閉外設的目的。特別是對于大功耗的外設，必須對其進行可靠的關閉。對于一些正在工作的外設，如音頻編解碼器，通過設置內(nèi)部的寄存器，關閉芯片內(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的功耗。

　　對于主cpu的各種接口控制器，一般不會全部用到，即使智能手機處于正常工作模式下，在不同運行狀態(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)，如不將其關閉，仍會消耗電流。對于主cpu來說，各外設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)動器為2.9 ma；定時器為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所示的智能手機硬件架構中，spi接口、usb host接口沒有使用，因此可以通過設置spcono和hccontrol寄存器永遠地關閉spi和usb host接口，這樣可以節(jié)省0.9(0.5+0.4)ma的電流。當智能手機處于正常工作狀態(tài)下，可以對空閑的接口控制器進行關閉，以進一步降低智能手機的功耗，還可以防止總線上倒灌電流的影響。

　　2.3 接口驅(qū)動電路的低功耗設計

　　當選擇智能手機外圍芯片如sdram、lcd、攝像機、音頻編解碼器等器件時，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時的功耗。在設計接口電路時，必須考慮以下幾個因素：

　　2.3.1 上拉電阻／下拉電阻的選取

　　軟件優(yōu)化是一個很重要的工作，可以大大提高軟件運行時的效率和降低軟件運行時的功耗。例如指令的重排，在不影響指令執(zhí)行結果的情況下，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)變成二進制編碼后，不同之處就是各個寄存器操作數(shù)的二進制編碼不同。

　　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，而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能，因此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時的功耗小于原先指 令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能一致的情況下，通過對代碼進行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗。

　　3 試驗結果和討論

　　在智能手機的設計中，通過不斷進行硬件優(yōu)化和在軟件上實現(xiàn)電源的動態(tài)管理，測量智能手機在空閑模式和睡眠模式下的功率損耗，結果如表2所示。

　　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，而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能，因此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時的功耗小于原先指 令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能一致的情況下，通過對代碼進行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗。

　　從表2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設計，智能手機在空閑模式下，電流值減小了10.2 ma，在睡眠模式下，電流值減少了1.5 ma。對于無線modem，由于自身含有獨立的電源管理模塊，基本上在3 ma左右，變化不大。相比未經(jīng)優(yōu)化設計，智能手機經(jīng)過優(yōu)化設計后，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的待機時間和使用時間。因此，通過上述方法，可以有效地降低智能手機的功耗。

　　隨著手機技術的發(fā)展，特別在智能手機設計中，低功耗設計會成為一個越來越迫切的問題。隨著一些新技術的出現(xiàn)并應用于智能手機的設計中，例如先進的電源管理芯片、先進的處理器，給設計者提供了更大的靈活性，可以大大降低智能手機功耗。但是，作為設計者，在進行系統(tǒng)設計和軟件編程時，必須時時考慮如何降低系統(tǒng)的功耗，只有這樣，設計出的系統(tǒng)才能擁有一個良好的性能，得到用戶的青睞。