基于智能手機系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化的低功耗設(shè)計方案
中心議題：
* 智能手機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)
* 智能手機的低功耗設(shè)計
隨著智能手機的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。如何提高智能手機的使用時間和待機時間，是大家都非常關(guān)注的問題。在配備更大容量的手機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，以降低手機功率損耗。
隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動終端已經(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。而對于移動終端，基本上可以分成兩種：一種是傳統(tǒng)手機(feature phone)；另一種是智能手機(smart phone)。智能手機具有傳統(tǒng)手機的基本功能，并有以下特點：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟件的可擴充性和支持第三方的二次開發(fā)。相對于傳統(tǒng)手機，智能手機以其強大的功能和便捷的操作等特點，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性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。因此，必須提高智能手機的使用時間和待機時間。對于這個問題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機電池；另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機的功率損耗。
現(xiàn)階段，手機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電池發(fā)展趨勢的燃料電池，能使智能手機的通話時間超過13 h，待機時間長達(dá)1個月，但是這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時間。增大手機電池容量總的趨勢上將會增加整機的成本。
因此，從智能手機的總體設(shè)計入手，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，從而盡可能延長智能手機的使用時間和待機時間。事實上，低功耗設(shè)計已經(jīng)成為智能手機設(shè)計中一個越來越迫切的問題。
1 智能手機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)
本文討論的智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)是使用雙cpu架構(gòu)，如圖1所示。
主處理器運行開放式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制。從處理器為無線modem部分的dbb(數(shù)字基帶芯片)，主要完成語音信號的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號的編解碼、信道編解碼和無線modem部分的時序控制。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(存儲器管理單元)。為了實現(xiàn)實時的視頻會議功能，攜帶了一個優(yōu)化的mpeg4硬件編解碼器。能對大運算量的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)核的運算壓力。主處理器上含有l(wèi)cd(液晶顯示器)控制器、攝像機控制器、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)用于智能手機的設(shè)計中。
在智能手機的硬件架構(gòu)中，無線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機控制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等，就是一個完整的普通手機(傳統(tǒng)手機)的硬件電路。模擬基帶(abb)語音信號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)計中，如何降低它們的功耗，是一個很重要的問題。
智能手機的低功耗設(shè)計
2 低功耗設(shè)計
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)計中，cmos電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比基本可以忽略不計，故暫不考慮。其動態(tài)功耗計算公式為：
pd="ctv2f" (1)
式中：pd為cmos芯片的動態(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。對于cpu來說，vcore電壓越高，時鐘頻率越快，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，而且其全速運行時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的噪聲容限來增強抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時，
必須要考慮以下幾點：
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，過大的上拉電阻會使信號邊沿變得平緩，信號完整性會變差。
因此，在考慮能夠正常驅(qū)動后級的情況下(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。對于下拉電阻，情況類似。
2.2 dpm
dpm(動態(tài)電源管理)是在系統(tǒng)運行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)控制來達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動態(tài)控制與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)，該工作往往通過 軟件來實現(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，智能手機中定義了對應(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(guān)燈和lcd背光燈關(guān)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(jìn)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(guān)閉；主cpu時鐘為使用36.768 khz的慢時鐘。除了modem以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時按開機鍵，使智能手機從睡眠模式下喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
d)關(guān)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(guān)閉。智能手機必須重新開機之后，才能進(jìn)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(dāng)用戶沒有對手機進(jìn)行操作時，通過軟件設(shè)置，使手機盡快進(jìn)入空閑模式或 睡眠模
式；當(dāng)用戶對手機進(jìn)行操作時，通過相應(yīng)的中斷喚醒主cpu，使手機恢復(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、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)智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(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。特別是對于大功耗的外設(shè)，必須對其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對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(guān)閉，仍會消耗電流。對于主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(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)智能手機處于正常工作狀態(tài)下，可以對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 的功耗，還可以防止總線上倒灌電流的影響。
接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計
2.3 接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計
當(dāng)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(shè)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(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(jìn)行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗。
2.3.2 對懸空引腳的處理
對于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因為cmos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，而且還會導(dǎo)致輸入端信號電平隨機變化，導(dǎo)致cpu在休眠時不斷地被喚醒，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)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频?，?dāng)僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加緩沖器時，必須慎重考慮，因驅(qū)動電流過大會導(dǎo)致更多的能量被浪費掉。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)動下級芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級芯片時應(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合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓器。
線性穩(wěn)壓器的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，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電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復(fù)雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對較大，價格也比線性穩(wěn)壓高，對于升壓，只能使用dc／dc。因此，在設(shè)計中，對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，降低智能手機的功耗。
2.5 led燈的控制
智能手機電路中，鍵盤和lcd背光燈工作時會消耗大量能量。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，lcd背景l(fā)ed燈功耗非常大。因此，在設(shè)計中，必須降低led燈的功耗?？梢酝ㄟ^以下方法：
a)在led燈回路中短接一個小電阻，改變阻值，用來控制led燈工作時的電流。
b)利用人眼的遲滯效應(yīng)，使用pwm(脈寬調(diào)制)信號來控制led燈的開關(guān)。
在主cpu中，通過配置寄存器gpcon_u、gpcon_l可以把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm信號輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存器，控制pwm輸出信號的頻率和占空比，作為控制引腳來控制led背光燈，以此來降低lcd背光燈的功耗。
c)在手機圖形界面上提供一個調(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，既增加了手機使用的靈活性，又進(jìn)一步降低了手機的功耗。
無線modem部分的控制、試驗結(jié)果和討論
2.6 無線modem部分的控制
如圖1所示，智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)采用雙cpu架構(gòu)，無線modem作為主cpu的一個外設(shè)，與主cpu芯片的其他外設(shè)相比，具有其特殊性，例如當(dāng)智能手機處于睡眠模式時，可以直接關(guān)閉lcd、攝像機等外設(shè)的供電電源，而無線modem不行，必須要求無線modem具有繼續(xù)等待來電、搜索網(wǎng)絡(luò)等功能，而不能直接將其關(guān)閉。而對于本文硬件架構(gòu)中的無線modem方案，其中也擁有一個系統(tǒng)，內(nèi)部運行完整的gsm(全球移動通信系統(tǒng))協(xié)議和獨立的電源管理模塊，主cpu可以通過uart口和無線modem進(jìn)行電源管理協(xié)商。無線modem內(nèi)部的電源管理由自己來控制，當(dāng)無線modem處于空閑狀態(tài)時，自己能完好地進(jìn)入和退出待機模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設(shè)計上，當(dāng)智能手機開機時，給無線modem加電、關(guān)機時，對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可以通過寄存器進(jìn)行設(shè)置。
因此，設(shè)計中確定主cpu主頻對于整個系統(tǒng)的功耗和性能是一個關(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。
3 試驗結(jié)果和討論
在智能手機的設(shè)計中，通過不斷進(jìn)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(jié)果如表2所示。從表2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(shè)計，智能手機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)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(shù)的發(fā)展，特別在智能手機設(shè)計中，低功耗設(shè)計會成為一個越來越迫切的問題。隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用于智能手機的設(shè)計中，例如先進(jìn)的電源管理芯片、先進(jìn)的處理器，給設(shè)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(shè)計者，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)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(shè)計出的系統(tǒng)才能擁有一個良好的性能，得到用戶的青睞。
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