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1、智能手机的硬件知识 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下面是小编为大家整理的智能手机的硬件知识欢迎参考 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 降低cpu部分的供
2、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(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芯片的工作电压;f为cmos芯片的工作频率 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
3、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s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
4、取更大的阻值以节省系统的功耗对于下拉电阻情况类似 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 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io
5、l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 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
6、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 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
7、配置寄存器gpconu、gpconl可以把gpio20一gpio23和gpio2gplo5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 无线modem部分的控制 如图1所示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
8、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 软件优化 式中：m=mdiv+8;p=pdiv+2s=sdiv;mdiv、pdiv和sdiv可以通过寄存器进行设置 因此设计中确定
9、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 dpm 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 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：generalclockgatingmode;idlemode：sleepmode;stopmode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(
10、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generalclockgatingmode;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、打电话、实际测量这种模式下智能手机工作电流为200ma左右 b)空闲模式：主cpu工作模式为idlemode主cpu主时钟停止;时钟频率为204mhz在空闲状态下键盘背关灯和lcd背光灯关闭lcd上有待机画面特定的事件可以使智能手机空闲模式进入正常工作模式如点击触摸屏、定时唤醒、按键、来电等 c)睡眼模式：主cpu工作模式为sleepmode除了主cpu内部的唤醒逻辑打开外其余全关闭;主cpu时钟为使用36.768khz的慢时钟除了modem以外外设全部关闭定义短时按开机键使智能手机从睡眠模式下唤醒进入正常工作状态 d)关机模式：主cpu工作模式为stopmode除了主cpu泄漏电流外不消耗功率;主cpu关闭智能手机必须重新开机之后才能进正常工作模式实际测量手机在这种模式下电流为100a 从以上看出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
