智能手机的系统架构及其低功耗设计

　　【摘要】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。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。

　　【关键词】硬件设计；智能手机；低功耗；技巧

　　作为一种便携式和移动性的终端，它是完全依靠电池来供电的。而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。

　　增大手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。所以，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。我们看一下智能手机的硬件架构：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。

　　从上述智能手机的硬件架构不难看出，影响智能手机的功耗的因素有以下三点：

　　1、CPU工作时的功耗。

　　虽然各智能手机芯片厂商都宣称采用低功耗处理器，且集成电路工艺越来越先进(如美国高通公司的智能手机解决方案MSM7225，就采用ARMll内核，65nm工艺)，但芯片中的CPU仍是耗能大户。以Armll CPU为例，其功耗约为0.25mW/MHz，如果CPU运行在1GHz，那单核CPU的功耗约为250mW，双核500mW。

　　目前手机中的CPU几乎全部采用CMOS工艺，而CMOS集成电路的结构决定了它的静态功耗几乎为零，仅在逻辑状态发生翻转的过程中，电路中有电流流过。CMOS电路的动态功耗的公式为：

　　Pdymamic=α・C・V2dd・f (公式1)

　　公式1中，α为活动因子，表示电容充放电的平均次数相对于开关频率的比值：C为集成电路等效负载电容，包括栅电容、节点电容、互连电容等;Vdd是电路电源电压;f为电路的工作频率。

　　从式中可以看到，集成电路的功耗，与电路的供电电Vad平方以及电路的工作频率成正比。

　　2、背光灯功耗。

　　智能手机电路中，LCD背光灯工作时会消耗很多电能。对于配置为3.5寸LCD的智能手机，需要使用6颗LED背光灯，才能保证整个屏幕的显示亮度均匀。单颗LED工作的典型正向压降为3.1V，由于是串联方式，那么6颗灯的总压降为18.6V，LED灯的典型工作电流为20mA，所以，当LCD背光灯处于全亮工作状态时，功耗为372mW。

　　3、其他外围电路的功耗。

　　智能手机集成的功能越来越丰富，通常还包括WiFi、蓝牙、摄像头等功能，虽然用户不是每次都使用这些功能，但如果不对这些外围电路进行有效的功耗管理，依然会带来较大的电能消耗。

　　针对上述三个方面的功耗，我们最好对智能手机硬件低功耗作出如下的设计：

　　1、降低CPU的工作电压和工作频率。

　　根据1.1节所介绍，集成电路动态功耗和电路的四个参数相关，通常a和c由集成电路设计和制造工艺所决定，作为芯片使用者，无法改变。那么要降低集成电路的动态功耗，重点在降低其工作电压Vdd和工作频率f两个关键参数。

　　智能手机的CPU工作电压大多工作在1.1V～1.3V，通过设置电压自动调节寄存器，来使能电压自动调节功能，CPU2工作电压可以随着整机工作状态变化而调节。例如，在手机处于唤醒状态，CPU进行大量运算和控制时，工作在高电压;而在手机处于待机状态，CPU仅仅维持系统待机状态时，工作在低电压。CPU启用了电压自动调节功能后，在对手机CPU电压和电流进行测试时，由于手机每隔一段时间需要和基站之间进行通信，接收基站下发的寻呼，所以，用电压探头和电流探头同时测试，可以观察到CPU工作电压在周期性跳变。

　　对于CPU来说，其全速运行时的主频可以根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频产生。CPU主频可以通过寄存器进行灵活设置。设计中确定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600MHz。

　　2、强化LED灯的控制。

　　智能手机电路中，键盘和LED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。

　　3、关闭空闲的外设控制器和外设。

　　在硬件系统的架构中，我们可以知道：主CPU通过相应的接口，外接了很多外部设备，例如LED、摄像机、irda(红外适配器)、蓝牙、音频编解码器、功率放大器等设备。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。特别是对于大功耗的外设，必须对其进行可靠的关闭。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，即使智能手机处于正常工作模式下，在不同运行状态，各种接口控制器的使用状况也是不同的;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。所以，在智能手机处于正常工作模式下，关闭这些没有处于工作状态的接口控制器，不仅可以降低智能手机的功耗，同时还可以防止总线上倒灌电流的影响。