【转】分析智能手机的硬件体系结构

雷布斯

随着通信产业的不断发展，移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。
而对于移动终端，基本上可以分成两种：一种是传统手机(feature phone)；另一种是智能手机(smart phone)。智能手机具有传统手机的基本功能，并有以下特点：开放的操作系统、硬件和软件的可扩充性和支持第三方的二次开发。相对于传统手机，智能手机以其强大的功能和便捷的操作等特点，越来越得到人们的青睐，将逐渐成为市场的一种潮流。
然而，作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，随着智能手机的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。因此，必须提高智能手机的使用时间和待机时间。对于这个问题，有两种解决方案：一种是配备更大容量的手机电池；另一种是改进系统设计，采用先进技术，降低手机的功率损耗。
现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主，虽然锂离子电池的能量密度比以往提升了近30％，但是仍不能满足智能手机发展需求。就目前使用的锂离子电池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空间。而另一种被业界普遍看做是未来手机电池发展趋势的燃料电池，能使智能手机的通话时间超过13 h，待机时间长达1个月，但是这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时间[1]。增大手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。
因此，从智能手机的总体设计入手，应用先进的技术和器件，进行降低功率损耗的方案设计，从而尽可能延长智能手机的使用时间和待机时间。事实上，低功耗设计已经成为智能手机设计中一个越来越迫切的问题。
1 智能手机的硬件系统架构
本文讨论的智能手机的硬件体系结构是使用双cpu架构，如图1所示。

                               
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主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。从处理器为无线modem部分的dbb(数字基带芯片)，主要完成语音信号的a／d转换、d／a转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和无线modem部分的时序控制。主从处理器之间通过串口进行通信。主处理器采用xxx公司的cpu芯片，它采用cmos工艺，拥有arm926ej-s内核，采用arm公司的amba(先进的微控制器总线体系结构)，内部含有16 kb的指令cache、16 kb的数据cache和mmu(存储器管理单元)。为了实现实时的视频会议功能，携带了一个优化的mpeg4硬件编解码器。能对大运算量的mpeg4编解码和语音压缩解压缩进行硬件处理，从而能缓解arm内核的运算压力。主处理器上含有lcd(液晶显示器)控制器、摄像机控制器、sdram和srom控制器、很多通用的gpio口、sd卡接口等。这些使它能很出色地应用于智能手机的设计中。
在智能手机的硬件架构中，无线modem部分只要再加一定的外围电路，如音频芯片、lcd、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是一个完整的普通手机(传统手机)的硬件电路。模拟基带(abb)语音信号引脚和音频编解码器芯片进行通信，构成通话过程中的语音通道。
从这个硬件电路的系统架构可以看出，功耗最大的部分包括主处理器、无线modem、lcd和键盘的背光灯、音频编解码器和功率放大器。因此，在设计中，如何降低它们的功耗，是一个很重要的问题。
2 低功耗设计
2.1 降低cpu部分的供电电压和频率
在数字集成电路设计中，cmos电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：
pd="ctv2f" (1)
式中：pd为cmos芯片的动态功耗；ct为cmos芯片的负载电容；v为cmos芯片的工作电压；f为cmos芯片的工作频率。
由式(1)可知，cmos电路中的功率消耗与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。对于cpu来说，vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大，所以，在能够正常满足系统性能的前提下，尽可能选择低电压工作的cpu。对于已经选定的cpu来说，降低供电电压和工作频率，能够在总体功耗上取得较好的效果。
对于主cpu来说，内核供电电压为1.3 v，已经很小，而且其全速运行时的主频可以完全根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频产生。主cpu主频fcpu计算公式如下：
在coms芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接下拉电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力。但是在选择上拉电阻时，
必须要考虑以下几点：
a)从节约功耗及芯片的倒灌电流能力上考虑，上拉电阻应足够大，以减小电流；
b)从确保足够的驱动电流考虑，上拉电阻应足够小，以增大电流；
c)在高速电路中，过大的上拉电阻会使信号边沿变得平缓，信号完整性会变差。
因此，在考虑能够正常驱动后级的情况下(即考虑芯片的vih或vil)，尽可能选取更大的阻值，以节省系统的功耗。对于下拉电阻，情况类似。
2.3.2 对悬空引脚的处理
对于系统中cmos器件的悬空引脚，必须给予重视。因为cmos悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，导致cpu在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入睡眠状态或其他莫名其妙的故障。所以正确的方法是，根据引脚的初始状态，将未使用的输入端接到相应的供电电压来保持高电平，或通过接地来保持低电平。
2.3.3 缓冲器的选择
缓冲器有很多功能，如电平转换、增加驱动能力、数据传输的方向控制等，当仅仅基于驱动能力的考虑增加缓冲器时，必须慎重考虑，因驱动电流过大会导致更多的能量被浪费掉。所以应仔细检查芯片的最大输出电流ioh和iol是否足够驱动下级芯片，当可以通过选取合适的前后级芯片时应尽量避免使用缓冲器。
2.4 电源供给电路
由于使用双cpu架构，外设很多，需要很多种电源。仅以主cpu来说，就需要1.3v、2.4v和2.8v电压，因此需要很多电压变化单元。通常，有以下几种电压变换方式：线性调节器；dc／dc；LDO(低漏失调节器)。其中ldo本质上是一种线性稳压器，主要用于压差较小的场合，所以将其合并为线性稳压器。
线性稳压器的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率η完全取决于输出电压大小。
dc／dc电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹波噪声干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压，只能使用dc／dc。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，都是使用dc／dc的电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。