關(guān)于智能手機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)及其低功耗設(shè)計(jì)的探索
【摘要】隨著手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)會(huì)成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。作為設(shè)計(jì)者，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)，必須時(shí)時(shí)考慮如何降低系統(tǒng)的功耗，只有這樣，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)才能擁有一個(gè)良好的性能，得到用戶的青睞。
【關(guān)鍵詞】硬件設(shè)計(jì)；智能手機(jī)；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。而隨著智能手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，其功率損耗也越來(lái)越大。因此，必須提高智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。對(duì)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(jī)電池;另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機(jī)的功率損耗。
增大手機(jī)電池容量總的趨勢(shì)上將會(huì)增加整機(jī)的成本。所以，從智能手機(jī)的總體設(shè)計(jì)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(jì)，從而盡可能延長(zhǎng)智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。我們看一下智能手機(jī)的硬件架構(gòu)：無(wú)線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機(jī)控制器、傳聲器、揚(yáng)聲器、功率放大器、天線等，就是一個(gè)完整的普通手機(jī)的硬件電路。模擬基帶(abb)語(yǔ)音信號(hào)引腳和音頻編解碼器芯片進(jìn)行通信，構(gòu)成通話過(guò)程中的語(yǔ)音通道。
從上述智能手機(jī)的硬件架構(gòu)不難看出，影響智能手機(jī)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(jī)芯片廠商都宣稱(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(guó)高通公司的.智能手機(jī)解決方案MSM7225，就采用ARMll內(nèi)核，65nm工藝)，但芯片中的CPU仍是耗能大戶。以Armll CPU為例，其功耗約為0.25mW/MHz，如果CPU運(yùn)行在1GHz，那單核CPU的功耗約為250mW，雙核500mW。
目前手機(jī)中的CPU幾乎全部采用CMOS工藝，而CMOS集成電路的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shù)相對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率的比值：C為集成電路等效負(fù)載電容，包括柵電容、節(jié)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(jī)電路中，LCD背光燈工作時(shí)會(huì)消耗很多電能。對(duì)于配置為3.5寸LCD的智能手機(jī)，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(dāng)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(jī)集成的功能越來(lái)越豐富，通常還包括WiFi、藍(lán)牙、攝像頭等功能，雖然用戶不是每次都使用這些功能，但如果不對(duì)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(duì)上述三個(gè)方面的功耗，我們最好對(duì)智能手機(jī)硬件低功耗作出如下的設(shè)計(jì)：
1、降低CPU的工作電壓和工作頻率。
根據(jù)1.1節(jié)所介紹，集成電路動(dòng)態(tài)功耗和電路的四個(gè)參數(shù)相關(guān)，通常a和c由集成電路設(shè)計(jì)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(shù)。
智能手機(jī)的CPU工作電壓大多工作在1.1V～1.3V，通過(guò)設(shè)置電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)寄存器，來(lái)使能電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，CPU2工作電壓可以隨著整機(jī)工作狀態(tài)變化而調(diào)節(jié)。例如，在手機(jī)處于喚醒狀態(tài)，CPU進(jìn)行大量運(yùn)算和控制時(shí)，工作在高電壓;而在手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，CPU僅僅維持系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)時(shí)，工作在低電壓。CPU啟用了電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能后，在對(duì)手機(jī)CPU電壓和電流進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于手機(jī)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(cè)試，可以觀察到CPU工作電壓在周期性跳變。
對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，其全速運(yùn)行時(shí)的主頻可以根據(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(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(shè)置。設(shè)計(jì)中確定CPU主頻對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功耗和性能是一個(gè)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600MHz。
2、強(qiáng)化LED燈的控制。
智能手機(jī)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(gòu)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(shè)計(jì)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(yīng)，使用pwm(脈寬調(diào)制)信號(hào)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(hào)輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存器，控制pwm輸出信號(hào)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(jī)圖形界面上提供一個(gè)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(jī)使用的靈活性，又進(jìn)一步降低了手機(jī)的功耗。
3、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，我們可以知道：主CPU通過(guò)相應(yīng)的接口，外接了很多外部設(shè)備，例如LED、攝像機(jī)、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(jī)處于正常工作模式時(shí)，對(duì)處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，可以通過(guò)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(guò)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(duì)于大功耗的外設(shè)，必須對(duì)其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對(duì)于一些正在工作的外設(shè)，如音頻編解碼器，通過(guò)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(shí)的功耗。
對(duì)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(jī)處于正常工作模式下，在不同運(yùn)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(jī)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(jī)的功耗，同時(shí)還可以防止總線上倒灌電流的影響。
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