模塊化結(jié)構(gòu)在便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

將多種功能融合于一部便攜式設(shè)備之中給設(shè)計(jì)人員提出了新的挑戰(zhàn)。如今，產(chǎn)品生命周期變得越來越短，而嵌入式應(yīng)用也在迅速發(fā)展。OEM們難以負(fù)擔(dān)為每一代新產(chǎn)品都設(shè)計(jì)一種全新的平臺，他們現(xiàn)在選擇更靈活性的模塊化平臺，這些平臺很容易升級，而且只需很少的重新設(shè)計(jì)就可以增加新功能。本文介紹的利用存儲器總線構(gòu)建的模塊化結(jié)構(gòu)同時具有模塊化的可升級特性和存儲器總線優(yōu)良的互連特性。
　　
　　這其中最好的例子是在手機(jī)市場。今天，除基本的語音功能外，手機(jī)還必須具有照相、視頻、游戲、802.11連接、MP3、計(jì)算機(jī)同步以及各種日新月異的新功能。隨著類似功能的融合，PDA和便攜式游戲機(jī)也正面臨同樣的挑戰(zhàn)。
　　
　　定義模塊化架構(gòu)
　　

　　圖1：帶4個子系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)示例。
　　
　　一種靈活的架構(gòu)應(yīng)該包括能單獨(dú)升級并對其他模塊影響最小的多個子系統(tǒng)。每一子系統(tǒng)都支持從其他功能獨(dú)立演變而來的特定功能(例如，可從視頻功能獨(dú)立演變而來的無線技術(shù)等)。
　　
　　圖1顯示一種采用4個子系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)例子。其中一個子系統(tǒng)專用于通信且一般以基帶modem為核心；另一個子系統(tǒng)用于應(yīng)用且以應(yīng)用處理器為核心(例如運(yùn)行3D游戲或支持PDA功能等)；第三個子系統(tǒng)用于提供與視頻廣播(DMB或DVB-H)的連接；第四個子系統(tǒng)則專用于音頻處理(例如支持MP3播放機(jī)功能等)。
　　
　　這些子系統(tǒng)可用來構(gòu)建某些特定平臺。入門級平臺可能只采用其中的某一個模塊(例如，用于PDA的應(yīng)用模塊、用于手機(jī)的通信模塊以及用于MP3播放機(jī)的音頻模塊等)。更高級的平臺則根據(jù)特定功能及市場可能會采用其中兩個、三個乃至四個模塊。
　　
　　在這種模塊化架構(gòu)中，每一模塊都能單獨(dú)升級。例如，通信模塊可升級成支持不同無線標(biāo)準(zhǔn)(從GPRS到W-CDMA等)，或?qū)F(xiàn)有協(xié)議升級(例如為現(xiàn)有W-CDMA基帶增加HSDPA等)。同樣，應(yīng)用子系統(tǒng)可升級成支持各種由無線標(biāo)準(zhǔn)所支持的功能(如游戲及OS升級等)。
　　
　　用經(jīng)得起時間考驗(yàn)的接口連接子系統(tǒng)
　　
　　為了將每次升級的影響降至最低，各子系統(tǒng)必須通過一個接口(將用于下一代芯片組上)與其他子系統(tǒng)相連，并能支持下一代平臺所需的足夠吞吐量。
　　
　　每一子系統(tǒng)通常都以一個處理器件為核心(例如ASIC、DSP及GPP等)。今天，這些處理器大多缺少這樣一種接口：串行接口速度太慢不能支持3G、視頻或802.11等新標(biāo)準(zhǔn)的吞吐量要求；而高速接口則通常涉及專用協(xié)議，這些協(xié)議不僅在各芯片供應(yīng)商之間不提供兼容性，而且還在每次模塊升級時需要很多的軟件改動及驗(yàn)證工作。
　　
　　存儲器總線不失為一種良好的互連選擇，它不僅支持所有處理器而且將來還能支持存儲器接口，所達(dá)到的帶寬也高于目前的要求(以x16總線上55vns的存取時間帶寬可達(dá)290Mbps)。兩條存儲器總線可通過雙端口互連連接在一起。
　　
　　雙端口互連是一種允許兩個處理單元獨(dú)立訪問一個共用存儲器空間的存儲器映射器件。它允許這些處理單元通過其存儲器總線并利用標(biāo)準(zhǔn)讀寫操作來交換數(shù)據(jù)。圖2顯示一種采用雙端口互連的基帶調(diào)制解調(diào)器與視頻處理器例子。

　　
　　圖2：用雙端口來連接兩個子系統(tǒng)的手機(jī)框圖。
　雙端口還允許通過為現(xiàn)有架構(gòu)增加處理單元對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級。在圖2所示例子中，通信子系統(tǒng)即可作為一個現(xiàn)有系統(tǒng)。增加新處理器不需現(xiàn)有系統(tǒng)有很大的改動，因?yàn)樵刑幚砥鲀H能“感覺”到其總線上增加了新的存儲器。雙端口的一個端口與現(xiàn)有處理器的存儲器總線相連，而另一個端口則用SRAM接口與任意類型的器件相連。這些器件可包括任意類型的處理器(如增加游戲、MP3、視頻甚至PDA功能等)或調(diào)制解調(diào)器(如增加新的通信頻段、3G加速、802.11連接或視頻廣播等)。

　　模塊化戰(zhàn)略
　　
　　除可以較短的開發(fā)時間來進(jìn)行升級以外，模塊化架構(gòu)還能最大限度地復(fù)用為特定子系統(tǒng)所開發(fā)的IP。通過在多個平臺間再利用相似模塊來構(gòu)建，整個系列可以演變出不同可用模塊來。
　　
　　圖3顯示一種基于此模塊化方法的手機(jī)系列，其中先在最簡單的設(shè)計(jì)中使用一片基帶芯片，然后通過雙端口互連增加不同應(yīng)用處理器來將功能增強(qiáng)多次以創(chuàng)建其他新產(chǎn)品。雙端口互連可以將兩個完全不同的應(yīng)用處理器以最小改動增加至基帶處理器上。這不僅給新平臺創(chuàng)造了市場并使其具有成本差異性，而且還能支持采用相同通信模塊的其他應(yīng)用。
　　
　　在開發(fā)下一代基帶時，可通過只升級通信子系統(tǒng)而保持應(yīng)用不變來復(fù)用以前開發(fā)的應(yīng)用IP。利用此方法，可以最小的軟件及系統(tǒng)架構(gòu)改造實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有架構(gòu)從一個頻帶(例如GPRS)移至另一個頻帶(例如CDMA)。
　　
　　賽普拉斯MoBL雙端口
　　
　　雙端口是迄今為止最為靈活的處理器間互連。通過提供用于與現(xiàn)有存儲器總線連接的標(biāo)準(zhǔn)SRAM接口，它不僅能使現(xiàn)有處理器幾乎可與任何其他處理器相連，而且還能提供高帶寬，并能簡化及減少通信軟件開銷。
　　
　　Cypress(賽普拉斯)半導(dǎo)體公司利用其在雙端口架構(gòu)及低功率技術(shù)方面的專長來構(gòu)建專為移動平臺設(shè)計(jì)的低成本MoBL(More Battery Life，更長電池壽命)雙端口。Cypress MoBL雙端口還能滿足新型手持式設(shè)備架構(gòu)其他方面的要求。

　　
　　圖3：采用模塊化架構(gòu)戰(zhàn)略的手機(jī)系統(tǒng)。
　　
　　在功率方面，Cypress的MoBL的低泄漏技術(shù)使雙端口的待機(jī)功耗在1.8V時可低至3.6uW。由于市場上充斥各種基帶處理器及其他處理器，它還支持多種I/O電壓(1.8V、2.5V及3V)。
　　
　　此外，隨著對無線系統(tǒng)的帶寬要求在不斷增加。無線系統(tǒng)現(xiàn)在還要求能支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)11Mbps的802.11b等非蜂窩技術(shù)。一些處理器上可用的標(biāo)準(zhǔn)低速率串行互連，通常難以提供所需的帶寬，而Cypress MoBL雙端口則能在x16總線上提供執(zhí)行時間為35ns的快速訪問，吞吐量高達(dá)400Mbps，超過3G、WiFi或視頻廣播所需的數(shù)據(jù)速率。
　　
　　小占位面積則是另一項(xiàng)要求，Cypress MoBL雙端口可以裸片提供，或采用小型6×6mm 0.5mm間距BGA封裝。
　　
　　在功能方面，Cypress MoBL雙端口可與任何其他Cypress異步雙端口相媲美。當(dāng)兩個端口試圖同時訪問同一存儲器空間時，即會給出“忙”信號，以提供內(nèi)建仲裁。其郵箱功能可使兩個處理器只需簡單地寫入具體位置即可互相發(fā)送中斷信號，這可用來向其他處理器發(fā)送數(shù)據(jù)可下載的信號。
　　
　　手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者希望能減少GPIO引腳的數(shù)量，這些引腳用來驅(qū)動諸如讀某些外部DIP開關(guān)或點(diǎn)亮LED等極為簡單的功能。Cypress MoBL雙端口通過將輸入讀寄存器及輸出驅(qū)動寄存器合并在其特性中而能使上述某些信號從外部抵達(dá)處理器。輸入讀寄存器(IRR)將兩個外部二進(jìn)制器件(如DIP開關(guān))的狀態(tài)捕獲至特定存儲器空間中。只需簡單地讀雙端口，任何一個處理器都能監(jiān)視這兩個器件的狀態(tài)。輸出驅(qū)動寄存器(ODR)可驅(qū)動多達(dá)5個中斷信號，這使得任何一個處理器都能通過只在雙端口特定位置上寫數(shù)據(jù)來控制多達(dá)5個外部器件。
　　
　　本文小結(jié)
　　
　　為保持競爭力，便攜式設(shè)備OEM們現(xiàn)在采用模塊化設(shè)計(jì)戰(zhàn)略，以使其能迅速進(jìn)行平臺升級并能縮短新手機(jī)的面市時間。雙端口通過提供高吞吐量及存儲器映射互連使這種戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)成為可能。它允許創(chuàng)建可單獨(dú)演進(jìn)并通過其存儲器接口來相互通信的多個子系統(tǒng)。為響應(yīng)這一新的需求，Cypress公司設(shè)計(jì)了專用于此類應(yīng)用的新型MoBL雙端口，并使其成為一種低功率雙端口器件。