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1、智能手机机的硬件件体系结结构20088-066-044 本本文来源源：电子子设计信信息作作者：厦厦门大学学信息科科学与技技术学院院 江有有财 随着着通信产产业的不不断发展展，移动动终端已已经由原原来单一一的通话话功能向向话音、数数据、图图像、音音乐和多多媒体方方向综合合演变。 而对对于移动动终端，基基本上可可以分成成两种：一种是是传统手手机(ffeatturee phhonee)；另另一种是是智能手手机(ssmarrt pphonne)。智智能手机机具有传传统手机机的基本本功能，并并有以下下特点：开放的的操作系系统、硬硬件和软软件的可可扩充性性和支持持第三方方的二次次开发。相相对于传传统手机机
2、，智能能手机以以其强大大的功能能和便捷捷的操作作等特点点，越来来越得到到人们的的青睐，将将逐渐成成为市场场的一种种潮流。 然而而，作为为一种便便携式和和移动性性的终端端，完全全依靠电电池来供供电，随随着智能能手机的的功能越越来越强强大，其其功率损损耗也越越来越大大。因此此，必须须提高智智能手机机的使用用时间和和待机时时间。对对于这个个问题，有有两种解解决方案案：一种种是配备备更大容容量的手手机电池池；另一一种是改改进系统统设计，采采用先进进技术，降降低手机机的功率率损耗。 现阶阶段，手手机配备备的电池池以锂离离子电池池为主，虽虽然锂离离子电池池的能量量密度比比以往提提升了近近30，但是是仍不能
3、能满足智智能手机机发展需需求。就就目前使使用的锂锂离子电电池材料料而言，能能量密度度只有220左左右的提提升空间间。而另另一种被被业界普普遍看做做是未来来手机电电池发展展趋势的的燃料电电池，能能使智能能手机的的通话时时间超过过13 h，待待机时间间长达11个月，但但是这种种电池技技术仍不不成熟，离离商用还还有一段段时间1。增增大手机机电池容容量总的的趋势上上将会增增加整机机的成本本。 因此此，从智智能手机机的总体体设计入入手，应应用先进进的技术术和器件件，进行行降低功功率损耗耗的方案案设计，从从而尽可可能延长长智能手手机的使使用时间间和待机机时间。事事实上，低低功耗设设计已经经成为智智能手机机
4、设计中中一个越越来越迫迫切的问问题。 1 智能手手机的硬硬件系统统架构 本文文讨论的的智能手手机的硬硬件体系系结构是是使用双双cpuu架构，如如图1所所示。 主处处理器运运行开放放式操作作系统，负负责整个个系统的的控制。从从处理器器为无线线moddem部部分的ddbb(数字基基带芯片片)，主主要完成成语音信信号的aad转转换、dda转转换、数数字语音音信号的的编解码码、信道道编解码码和无线线moddem部部分的时时序控制制。主从从处理器器之间通通过串口口进行通通信。主主处理器器采用xxxx公公司的ccpu芯芯片，它它采用ccmoss工艺，拥拥有arrm9226ejj-s内内核，采采用arrm公
5、司司的ammba(先进的的微控制制器总线线体系结结构)，内内部含有有16 kb的的指令ccachhe、116 kkb的数数据caachee和mmmu(存存储器管管理单元元)。为为了实现现实时的的视频会会议功能能，携带带了一个个优化的的mpeeg4硬硬件编解解码器。能能对大运运算量的的mpeeg4编编解码和和语音压压缩解压压缩进行行硬件处处理，从从而能缓缓解arrm内核核的运算算压力。主主处理器器上含有有lcdd(液晶晶显示器器)控制制器、摄摄像机控控制器、ssdraam和ssromm控制器器、很多多通用的的gpiio口、ssd卡接接口等。这这些使它它能很出出色地应应用于智智能手机机的设计计中。
6、 在智智能手机机的硬件件架构中中，无线线moddem部部分只要要再加一一定的外外围电路路，如音音频芯片片、lccd、摄摄像机控控制器、传传声器、扬扬声器、功功率放大大器、天天线等，就就是一个个完整的的普通手手机(传传统手机机)的硬硬件电路路。模拟拟基带(abbb)语音音信号引引脚和音音频编解解码器芯芯片进行行通信，构构成通话话过程中中的语音音通道。 从这这个硬件件电路的的系统架架构可以以看出，功功耗最大大的部分分包括主主处理器器、无线线moddem、llcd和和键盘的的背光灯灯、音频频编解码码器和功功率放大大器。因因此，在在设计中中，如何何降低它它们的功功耗，是是一个很很重要的的问题。 2 低
7、功耗耗设计 2.1 降降低cppu部分分的供电电电压和和频率 在数数字集成成电路设设计中，ccmoss电路的的静态功功耗很低低，与其其动态功功耗相比比基本可可以忽略略不计，故故暂不考考虑。其其动态功功耗计算算公式为为： pd=ctvv2f(1) 式中中：pdd为cmmos芯芯片的动动态功耗耗；ctt为cmmos芯芯片的负负载电容容；v为为cmoos芯片片的工作作电压；f为ccmoss芯片的的工作频频率。 由式式(1)可知，ccmoss电路中中的功率率消耗与与电路的的开关频频率呈线线性关系系，与供供电电压压呈二次次平方关关系。对对于cppu来说说，vccoree电压越越高，时时钟频率率越快，则则
8、功率消消耗越大大，所以以，在能能够正常常满足系系统性能能的前提提下，尽尽可能选选择低电电压工作作的cppu。对对于已经经选定的的cpuu来说，降降低供电电电压和和工作频频率，能能够在总总体功耗耗上取得得较好的的效果。 对于于主cppu来说说，内核核供电电电压为11.3 v，已已经很小小，而且且其全速速运行时时的主频频可以完完全根据据需要进进行设置置，其内内部所需需的其他他各种频频率都是是通过主主频分频频产生。主主cpuu主频ffcpuu计算公公式如下下： 在ccomss芯片上上，为了了防止静静电造成成损坏，不不用的引引脚不能能悬空，一一般接下下拉电阻阻来降低低输入阻阻抗，提提供泄荷荷通路。需需
9、要加上上拉电阻阻来提高高输出电电平，从从而提高高芯片输输入信号号的噪声声容限来来增强抗抗干扰能能力。但但是在选选择上拉拉电阻时时， 必必须要考考虑以下下几点： a)从节约约功耗及及芯片的的倒灌电电流能力力上考虑虑，上拉拉电阻应应足够大大，以减减小电流流； b)从确保保足够的的驱动电电流考虑虑，上拉拉电阻应应足够小小，以增增大电流流； c)在高速速电路中中，过大大的上拉拉电阻会会使信号号边沿变变得平缓缓，信号号完整性性会变差差。 因此此，在考考虑能够够正常驱驱动后级级的情况况下(即即考虑芯芯片的vvih或或vill)，尽尽可能选选取更大大的阻值值，以节节省系统统的功耗耗。对于于下拉电电阻，情情况
10、类似似。 2.3.22 对悬悬空引脚脚的处理理 对于于系统中中cmoos器件件的悬空空引脚，必必须给予予重视。因因为cmmos悬悬空的输输入端的的输入阻阻抗极高高，很可可能感应应一些电电荷导致致器件被被高压击击穿，而而且还会会导致输输入端信信号电平平随机变变化，导导致cppu在休休眠时不不断地被被唤醒，从从而无法法进入睡睡眠状态态或其他他莫名其其妙的故故障。所所以正确确的方法法是，根根据引脚脚的初始始状态，将将未使用用的输入入端接到到相应的的供电电电压来保保持高电电平，或或通过接接地来保保持低电电平。 2.3.33 缓冲冲器的选选择 缓冲冲器有很很多功能能，如电电平转换换、增加加驱动能能力、数
11、数据传输输的方向向控制等等，当仅仅仅基于于驱动能能力的考考虑增加加缓冲器器时，必必须慎重重考虑，因因驱动电电流过大大会导致致更多的的能量被被浪费掉掉。所以以应仔细细检查芯芯片的最最大输出出电流iioh和和ioll是否足足够驱动动下级芯芯片，当当可以通通过选取取合适的的前后级级芯片时时应尽量量避免使使用缓冲冲器。 2.4 电电源供给给电路 由于于使用双双cpuu架构，外外设很多多，需要要很多种种电源。仅仅以主ccpu来来说，就就需要11.3vv、2.4v和和2.88v电压压，因此此需要很很多电压压变化单单元。通通常，有有以下几几种电压压变换方方式：线线性调节节器；ddcddc；LLDO(低漏失失
12、调节器器)。其其中lddo本质质上是一一种线性性稳压器器，主要要用于压压差较小小的场合合，所以以将其合合并为线线性稳压压器。 线性性稳压器器的特点点是电路路结构简简单，所所需元件件数量少少，输入入和输出出压差可可以很大大，但其其致命弱弱点是效效率低、功功耗高，其其效率完全取取决于输输出电压压大小。 dccdcc电路的的特点是是效率高高、升降降压灵活活，缺点点是电路路相对复复杂，纹纹波噪声声干扰较较大，体体积也相相对较大大，价格格也比线线性稳压压高，对对于升压压，只能能使用ddcddc。因因此，在在设计中中，对于于电源纹纹波噪音音要求不不严的情情况，都都是使用用dcdc的的电压转转换器件件，这样
13、样可以有有效地节节约能量量，降低低智能手手机的功功耗。 2.5 ledd灯的控控制 智能能手机电电路中，键键盘和llcd背背光灯工工作时会会消耗大大量能量量。例如如本文架架构中使使用的llcd，其其背光灯灯电气要要求如下下： 正正向电流流典型值值为155 maa，正向向电压典典型值为为14.4 vv，背光光灯消耗耗功率典典型值为为2166 mww。 由此此可以看看出，在在正常工工作时，llcd背背景leed灯功功耗非常常大。因因此，在在设计中中，必须须降低lled灯灯的功耗耗。可以以通过以以下方法法： a)在leed灯回回路中短短接一个个小电阻阻，改变变阻值，用用来控制制ledd灯工作作时的电
14、电流。 b)利用人人眼的迟迟滞效应应，使用用pwmm(脉宽宽调制)信号来来控制lled灯灯的开关关。 在主主cpuu中，通通过配置置寄存器器gpccon_u、ggpcoon_ll可以把把gpiio200一gppio223和ggpioo2-ggploo5配置置成pwwm信号号输出，再再配置内内部相应应的寄存存器，控控制pwwm输出出信号的的频率和和占空比比，作为为控制引引脚来控控制leed背光光灯，以以此来降降低lccd背光光灯的功功耗。 ; c)在在手机图图形界面面上提供供一个调调节背光光灯亮度度的界面面，让用用户在系系统设置置的leed灯亮亮度基础础上，进进一步调调节背关关灯的亮亮度，这这样
15、，既既增加了了手机使使用的灵灵活性，又又进一步步降低了了手机的的功耗。 2.6 无无线moodemm部分的的控制 如图图1所示示，智能能手机的的硬件体体系结构构采用双双cpuu架构，无无线moodemm作为主主cpuu的一个个外设，与与主cppu芯片片的其他他外设相相比，具具有其特特殊性，例例如当智智能手机机处于睡睡眠模式式时，可可以直接接关闭llcd、摄摄像机等等外设的的供电电电源，而而无线mmodeem不行行，必须须要求无无线moodemm具有继继续等待待来电、搜搜索网络络等功能能，而不不能直接接将其关关闭。而而对于本本文硬件件架构中中的无线线moddem方方案，其其中也拥拥有一个个系统，内内部运行行完整的的gsmm(全球球移动通通信系统统)协议议和独立立的电源源管理模模块，主主cpuu可以通通过uaart口口和无线线moddem进进行电源源管理协协商。无无线moodemm内部的的电源管管理由自自己来控控制，当当无线mmodeem处于于空闲状状态时，自自己能完完好地进进入和退退出待机机模式。因因此，在在本文的的硬件架架构的设设计上，当当智能手手机开机机时，给给无线mmodeem加电电、关机机时，对对moddem进进行断电电
