關(guān)于智能手機的系統架構及其低功耗設計的探索
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【摘要】隨著(zhù)手機技術(shù)的發(fā)展，特別在智能手機設計中，低功耗設計會(huì )成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。作為設計者，在進(jìn)行系統設計和軟件編程時(shí)，必須時(shí)時(shí)考慮如何降低系統的功耗，只有這樣，設計出的系統才能擁有一個(gè)良好的性能，得到用戶(hù)的青睞。
【關(guān)鍵詞】硬件設計;智能手機;低功耗;技巧
作為一種便攜式和移動(dòng)性的終端，它是完全依靠電池來(lái)供電的。而隨著(zhù)智能手機的功能越來(lái)越強大，其功率損耗也越來(lái)越大。因此，必須提高智能手機的使用時(shí)間和待機時(shí)間。對于這個(gè)問(wèn)題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機電池;另一種是改進(jìn)系統設計，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機的功率損耗。
增大手機電池容量總的趨勢上將會(huì )增加整機的成本。所以，從智能手機的總體設計入手，應用先進(jìn)的技術(shù)和器件，進(jìn)行降低功率損耗的方案設計，從而盡可能延長(cháng)智能手機的使用時(shí)間和待機時(shí)間。我們看一下智能手機的硬件架構：無(wú)線(xiàn)modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機控制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線(xiàn)等，就是一個(gè)完整的普通手機的硬件電路。模擬基帶(abb)語(yǔ)音信號引腳和音頻編解碼器芯片進(jìn)行通信，構成通話(huà)過(guò)程中的語(yǔ)音通道。
從上述智能手機的硬件架構不難看出，影響智能手機的功耗的因素有以下三點(diǎn)：
1、CPU工作時(shí)的功耗。
雖然各智能手機芯片廠(chǎng)商都宣稱(chēng)采用低功耗處理器，且集成電路工藝越來(lái)越先進(jìn)(如美國高通公司的智能手機解決方案MSM7225，就采用ARMll內核，65nm工藝)，但芯片中的CPU仍是耗能大戶(hù)。以Armll CPU為例，其功耗約為0.25mW/MHz，如果CPU運行在1GHz，那單核CPU的功耗約為250mW，雙核500mW。
目前手機中的CPU幾乎全部采用CMOS工藝，而CMOS集成電路的結構決定了它的靜態(tài)功耗幾乎為零，僅在邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉的過(guò)程中，電路中有電流流過(guò)。CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗的公式為：
Pdymamic=α・C・V2dd・f (公式1)
公式1中，α為活動(dòng)因子，表示電容充放電的平均次數相對于開(kāi)關(guān)頻率的比值：C為集成電路等效負載電容，包括柵電容、節點(diǎn)電容、互連電容等;Vdd是電路電源電壓;f為電路的工作頻率。
從式中可以看到，集成電路的功耗，與電路的供電電Vad平方以及電路的工作頻率成正比。
2、背光燈功耗。
智能手機電路中，LCD背光燈工作時(shí)會(huì )消耗很多電能。對于配置為3.5寸LCD的智能手機，需要使用6顆LED背光燈，才能保證整個(gè)屏幕的顯示亮度均勻。單顆LED工作的典型正向壓降為3.1V，由于是串聯(lián)方式，那么6顆燈的總壓降為18.6V，LED燈的典型工作電流為20mA，所以，當LCD背光燈處于全亮工作狀態(tài)時(shí)，功耗為372mW。
3、其他外圍電路的功耗。
智能手機集成的功能越來(lái)越豐富，通常還包括WiFi、藍牙、攝像頭等功能，雖然用戶(hù)不是每次都使用這些功能，但如果不對這些外圍電路進(jìn)行有效的功耗管理，依然會(huì )帶來(lái)較大的電能消耗。
針對上述三個(gè)方面的功耗，我們最好對智能手機硬件低功耗作出如下的設計：
1、降低CPU的工作電壓和工作頻率。
根據1.1節所介紹，集成電路動(dòng)態(tài)功耗和電路的四個(gè)參數相關(guān)，通常a和c由集成電路設計和制造工藝所決定，作為芯片使用者，無(wú)法改變。那么要降低集成電路的動(dòng)態(tài)功耗，重點(diǎn)在降低其工作電壓Vdd和工作頻率f兩個(gè)關(guān)鍵參數。
智能手機的CPU工作電壓大多工作在1.1V～1.3V，通過(guò)設置電壓自動(dòng)調節寄存器，來(lái)使能電壓自動(dòng)調節功能，CPU2工作電壓可以隨著(zhù)整機工作狀態(tài)變化而調節。例如，在手機處于喚醒狀態(tài)，CPU進(jìn)行大量運算和控制時(shí)，工作在高電壓;而在手機處于待機狀態(tài)，CPU僅僅維持系統待機狀態(tài)時(shí)，工作在低電壓。CPU啟用了電壓自動(dòng)調節功能后，在對手機CPU電壓和電流進(jìn)行測試時(shí)，由于手機每隔一段時(shí)間需要和基站之間進(jìn)行通信，接收基站下發(fā)的尋呼，所以，用電壓探頭和電流探頭同時(shí)測試，可以觀(guān)察到CPU工作電壓在周期性跳變。
對于CPU來(lái)說(shuō)，其全速運行時(shí)的主頻可以根據需要進(jìn)行設置，其內部所需的其他各種頻率都是通過(guò)主頻分頻產(chǎn)生。CPU主頻可以通過(guò)寄存器進(jìn)行靈活設置。設計中確定CPU主頻對于整個(gè)系統的功耗和性能是一個(gè)關(guān)鍵。本文在綜合考慮系統性能和功耗的基礎上，設置主CPU主頻為600MHz。
2、強化LED燈的控制。
智能手機電路中，鍵盤(pán)和LED背光燈工作時(shí)會(huì )消耗大量能量。例如本文架構中使用的LCD，其背光燈電氣要求如下： 正向電流典型值為15ma，正向電壓典型值為14.4v，背光燈消耗功率典型值為216mw。
由此可以看出，在正常工作時(shí)，LCD背景LED燈功耗非常大。因此，在設計中，必須降低LED燈的功耗�？梢酝ㄟ^(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，使用pwm(脈寬調制)信號來(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信號輸出，再配置內部相應的寄存器，控制pwm輸出信號的頻率和占空比，作為控制引腳來(lái)控制LED背光燈，以此來(lái)降低LCD背光燈的功耗。
c)在手機圖形界面上提供一個(gè)調節背光燈亮度的界面，讓用戶(hù)在系統設置的LED燈亮度基礎上，進(jìn)一步調節背關(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。
3、關(guān)閉空閑的外設控制器和外設。
在硬件系統的架構中，我們可以知道：主CPU通過(guò)相應的接口，外接了很多外部設備，例如LED、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(shí)，對處于空閑狀態(tài)的外設，可以通過(guò)主CPU的gpio口，控制給外設供電的ldo或者dc/dc電源芯片，通過(guò)關(guān)閉外設的供電電源芯片，以達到關(guān)閉外設的目的。特別是對于大功耗的外設，必須對其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對于一些正在工作的外設，如音頻編解碼器，通過(guò)設置內部的寄存器，關(guān)閉芯片內部不使用的通道、功率放大器、d/a轉換器等，以降低這些器件工作時(shí)的功耗。
對于主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(méi)有處于工作狀態(tài)，如不將其關(guān)閉，仍會(huì )消耗電流。所以，在智能手機處于正常工作模式下，關(guān)閉這些沒(méi)有處于工作狀態(tài)的接口控制器，不僅可以降低智能手機的功耗，同時(shí)還可以防止總線(xiàn)上倒灌電流的影響。
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