智能手机的系统架构及其低功耗设计
智能手机的系统架构及其低功耗设计
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(featurephone) ；另一种是智能手机(smartphone) 。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13h ，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，。
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16kb 的指令cache 、16kb 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"
工作电压；f 为cmos 芯片的工作频率。(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
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1.3v ，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。
2.5led 灯的控制
智能手机电路中，键盘和lcd 背光灯工作时会消耗大量能量。例如本文架构中使用的lcd ，其背光灯电气要求如下：正向电流典型值为15ma ，正向电压典型值为14.4v ，背光灯消耗功率典型值为216mw 。
由此可以看出，在正常工作时，lcd 背景led 灯功耗非常大。因此，在设计中，必须降低led 灯的功耗。可以通过以下方法：
a) 在led 灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制led 灯工作时的电流。b) 利用人眼的迟滞效应，使用pwm(脉宽调制) 信号来控制led 灯的开关。
在主cpu 中，通过配置寄存器gpcon_u、gpcon_l可以把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm 信号输出，再配置内部相应的寄存器，控制pwm 输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制led 背光灯，以此来降低lcd 背光灯的功耗。
; c) 在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的led 灯亮度基础
2.6无线modem 部分的控制
，智能手机的硬件体系结构采用双cpu 架构，无线modem 作为主cpu 的一个外设，与主cpu 芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭lcd 、摄像机等外设的供电电源，而无线modem 不行，必须要求无线modem 具有继续等待来电、搜索网络等功能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线modem 方案，其中也拥有一个系统，内部运行完整的gsm(全球移动通信系统) 协议和独立的电源管理模块，主cpu 可以通过uart 口和无线modem 进行电源管理协商。无线modem 内部的电源管理由自己来控制，当无线modem 处于空闲状态时，自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智能手机开机时，给无线modem 加电、关机时，对modem 进行断电。
2.7软件优化
式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv 、pdiv 和sdiv 可以通过寄存器进行设置。
因此，设计中确定主cpu 主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主cpu 主频为204mhz 。
2.2dpm dpm(动态电源管理) 是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关，该工作往往通过软件来实现[3,4]。
2.2.1定义不同的工作模式
在硬件架构中智能手机的工作模式与主cpu 的工作模式密切相关。为了降低功耗，主cpu 定义了4种工作模式：general clock gating mode ；idle mode ：sleep mode ；stop mode 。在主cpu 主频确定的情况下，智能手机中定义了对应的4种工作模式：正常工作模式(normal)；空闲模式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off)。各种模式说明如下：
a) 正常工作模式：主cpu 工作模式为general clock gating mode ；主cpu 全速运行；时钟频率为204mhz 。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的运行状态，如播放mp3、打上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵活性，又进一步降低了手机的功耗。
智能手机的系统架构及其低功耗设计
智能手机的系统架构及其低功耗设计
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(featurephone) ；另一种是智能手机(smartphone) 。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13h ，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，。
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16kb 的指令cache 、16kb 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"
工作电压；f 为cmos 芯片的工作频率。(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
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1.3v ，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。
2.5led 灯的控制
智能手机电路中，键盘和lcd 背光灯工作时会消耗大量能量。例如本文架构中使用的lcd ，其背光灯电气要求如下：正向电流典型值为15ma ，正向电压典型值为14.4v ，背光灯消耗功率典型值为216mw 。
由此可以看出，在正常工作时，lcd 背景led 灯功耗非常大。因此，在设计中，必须降低led 灯的功耗。可以通过以下方法：
a) 在led 灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制led 灯工作时的电流。b) 利用人眼的迟滞效应，使用pwm(脉宽调制) 信号来控制led 灯的开关。
在主cpu 中，通过配置寄存器gpcon_u、gpcon_l可以把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm 信号输出，再配置内部相应的寄存器，控制pwm 输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制led 背光灯，以此来降低lcd 背光灯的功耗。
; c) 在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的led 灯亮度基础
2.6无线modem 部分的控制
，智能手机的硬件体系结构采用双cpu 架构，无线modem 作为主cpu 的一个外设，与主cpu 芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭lcd 、摄像机等外设的供电电源，而无线modem 不行，必须要求无线modem 具有继续等待来电、搜索网络等功能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线modem 方案，其中也拥有一个系统，内部运行完整的gsm(全球移动通信系统) 协议和独立的电源管理模块，主cpu 可以通过uart 口和无线modem 进行电源管理协商。无线modem 内部的电源管理由自己来控制，当无线modem 处于空闲状态时，自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智能手机开机时，给无线modem 加电、关机时，对modem 进行断电。
2.7软件优化
式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv 、pdiv 和sdiv 可以通过寄存器进行设置。
因此，设计中确定主cpu 主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主cpu 主频为204mhz 。
2.2dpm dpm(动态电源管理) 是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关，该工作往往通过软件来实现[3,4]。
2.2.1定义不同的工作模式
在硬件架构中智能手机的工作模式与主cpu 的工作模式密切相关。为了降低功耗，主cpu 定义了4种工作模式：general clock gating mode ；idle mode ：sleep mode ；stop mode 。在主cpu 主频确定的情况下，智能手机中定义了对应的4种工作模式：正常工作模式(normal)；空闲模式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off)。各种模式说明如下：
a) 正常工作模式：主cpu 工作模式为general clock gating mode ；主cpu 全速运行；时钟频率为204mhz 。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的运行状态，如播放mp3、打上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵活性，又进一步降低了手机的功耗。