智能手机硬件架构

智能手机硬件架构智能手机简介•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，智能手机具有强大的功能和便捷的操作等特点•随着智能手机的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主。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，但是仍不能满足智能手机发展需求。•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。低功耗设计越来越迫切。智能手机硬件系统架构•目前智能手机一般采用双CPU架构智能手机硬件系统架构•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•从硬件电路的系统架构可见，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。因此设计中如何降低它们的功耗是个重要的问题。低功耗设计•降低CPU部分的供电电压和频率•对悬空引脚的处理•缓冲器的选择•电源供给电路•LED灯的控制•无线modem部分的控制•软件优化降低CPU部分的供电电压和频率•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：为CMOS芯片的动态功耗；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•对于CPU来说，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CPUfVCptd2dptC对悬空引脚的处理•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•正确的方法是：根据引脚的初始状态，将未使用的输入端接上拉电阻到相应的供电电压来保持高电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力；或通过接下拉电阻到地来保持低电平，降低输入阻抗，提供泄荷通路对悬空引脚的处理•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，信号完整性会变差在考虑能够正常驱动后级的情况下(即考虑芯片的或)，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ihVilV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。•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。•应仔细检查芯片的最大输出电流和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ohIolI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：线性稳压器；DC/DC；LDO(低漏失调节器)•IDO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•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LED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，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：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灯亮度基础上，进一步调节背关灯的亮度，既增加了手机使用的灵活性，又可进一步降低了手机的功耗无线modem部分的控制•本文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•本文硬件架构中的无线modem方案，拥有内部运行完整的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进行断电软件优化•软件优化可以大大提高软件运行时的效率和降低软件运行时的功耗•例如指令的重排，在不影响指令执行结果的情况下，可以消除由于装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引起的指令流水线的失效•系统软件完成后，在保证软件功能一致的情况下，通过对代码进行优化，可以减小软件在执行时的功耗。DPM(动态电源管理)•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•主要通过如下方式实现降低功耗：定义不同的工作模式关闭空闲的外设控制器和外设定义不同的工作模式•在主CPU主频确定的情况下，智能手机中定义了对应的4种工作模式来降低功耗：正常工作模式(normal)；空闲模式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off)•智能手机在正常工作模式下的功率比空闲模式、睡眠模式下大得多。因此，当用户没有对手机进行操作时，通过软件设置，使手机尽快进入空闲模式或睡眠模式；当用户对手机进行操作时，通过相应的中断唤醒主CPU，使手机恢复正常工作模式，处理完相应的事件后迅速进入空闲模式或睡眠模式关闭空闲的外设控制器和外设•当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态的外设，可以通过主CPU的GPIO口，控制给外设供电的LDO或者DC/DC电源芯片，通过关闭外设的供电电源芯片，以达到关闭外设的目的•对于一些正在工作的外设，如音频编解码器，通过设置内部的寄存器，关闭芯片内部不使用的通道、功率放大器、D/A转换器等，以降低这些器件工作时的功耗•对于主CPU的各种接口控制器，一般不会全部用到；接口控制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流•当智能手机处于正常工作状态下，可以对空闲的接口控制器进行关闭，以进一步降低智能手机的功耗，还可以防止总线上倒灌电流的影响小结•随着手机技术的发展，特别在智能手机设计中，低功耗设计会成为一个越来越迫切的问题。•随着一些新技术的出现并应用于智能手机的设计中，例如先进的电源管理芯片、先进的处理器，给设计者提供了更大的灵活性，可以大大降低智能手机功耗。•但是，作为设计者，在进行系统设计和软件编程时，必须时时考虑如何降低系统的功耗，只有这样，设计出的系统才能拥有一个良好的性能，得到用户的青睐。