基于智能手機系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化的低功耗設(shè)計方案

a)正常工作模式：主cpu工作模式為general clock gating mode；主cpu全速運行；時鐘頻率為204 mhz。智能手機在這種狀態(tài)下功耗最大，根據(jù)不同的運行狀態(tài)，如播放mp3、打電話、實際測量，這種模式下智能手機工作電流為200 ma左右。

b)空閑模式：主cpu工作模式為idle mode，主cpu主時鐘停止；時鐘頻 率為204 mhz。在空閑狀態(tài)下，鍵盤背關(guān)燈和lcd背光燈關(guān)閉，lcd上有待機畫面，特定的事件可以使智能手機空閑模式進入正常工作模式，如點擊觸摸屏、定時喚 醒、按鍵、來電等。

c)睡眼模式：主cpu工作模式為sleep mode，除了主cpu內(nèi)部的喚醒邏輯打開外，其余全關(guān)閉；主cpu時鐘為使用36.768 khz的慢時鐘。除了modem以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時按開機鍵，使智能手機從睡眠模式下喚醒進入正常工作狀態(tài)。

d)關(guān)機模式：主cpu工作模式為stop mode，除了主cpu泄漏電流外，不消耗功率；主cpu關(guān)閉。智能手機必須重新開機之后，才能進正常工作模式，實際測量，手機在這種模式下電流為 100μa。

從以上看出，智能手機在正常工作模式下的功率比空閑模式、睡眠模式下大得多。因此，當(dāng)用戶沒有對手機進行操作時，通過軟件設(shè)置，使手機盡快進入空閑模式或 睡眠模

式；當(dāng)用戶對手機進行操作時，通過相應(yīng)的中斷喚醒主cpu，使手機恢復(fù)正常工作模式，處理完響應(yīng)的事件后迅速進入空閑模式或睡眠模式。

2.2.2 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，可以看到，主cpu通過相應(yīng)的接口，外接了很多外部設(shè)備，例如lcd、攝像機、irda(紅外適配器)、藍牙、音頻編解碼器、功率放 大器等設(shè)備。當(dāng)智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，可以通過主cpu的gpio口，控制給外設(shè)供電的ldo或者dc／dc電源芯片，通過 關(guān)閉外設(shè)的供電電源芯片，以達到關(guān)閉外設(shè)的目的。特別是對于大功耗的外設(shè)，必須對其進行可靠的關(guān)閉。對于一些正在工作的外設(shè)，如音頻編解碼器，通過設(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的功耗。

對于主cpu的各種接口控制器，一般不會全部用到，即使智能手機處于正常工作模式下，在不同運行狀態(tài)，各種接口控制器的使用狀況也是不同的；接口控制器沒 有處于工作狀態(tài)，如不將其關(guān)閉，仍會消耗電流。對于主cpu來說，各外設(shè)接口控制器的電流消耗[2]如下：nand flash為2.9 ma；lcd為5.8 ma；usb host為0.4 ma；usb驅(qū)動器為2.9 ma；定時器為0.5 ma；sdi為1.9 ma；uart為3.6 ma；rtc為0.4 ma；a／d轉(zhuǎn)換器為0.4 ma；iic為0.6 ma；iis為0.5 ma；spi為0.5 ma。

在圖1所示的智能手機硬件架構(gòu)中，spi接口、usb host接口沒有使用，因此可以通過設(shè)置spcono和hccontrol寄存器永遠地關(guān)閉spi和usb host接口，這樣可以節(jié)省0.9(0.5+0.4)ma的電流。當(dāng)智能手機處于正常工作狀態(tài)下，可以對空閑的接口控制器進行關(guān)閉，以進一步降低智能手機 的功耗，還可以防止總線上倒灌電流的影響。

接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計

2.3 接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計

當(dāng)選擇智能手機外圍芯片如sdram、lcd、攝像機、音頻編解碼器等器件時，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時的功耗。在設(shè)計接口電路時，必 須考慮以下幾個因素：

2.3.1 上拉電阻／下拉電阻的選取

軟件優(yōu)化是一個很重要的工作，可以大大提高軟件運行時的效率和降低軟件運行時的功耗。例如指令的重排，在不影響指令執(zhí)行結(jié)果的情況下，可以消除由于裝載延 遲、分支延遲、跳轉(zhuǎn)延遲等引起的指令流水線的失效[5]。如表1所示的arm匯編，把指令轉(zhuǎn)變成二進制編碼后，不同之處就是各個寄存器操作數(shù)的二進制編碼 不同。

根據(jù)表1，從電氣性能上來看，通過減小連續(xù)指令之間的漢明(hamming)距離，原代碼比優(yōu)化后代碼的比特位變化多6次，而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能，因 此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時的功耗小于原先指 令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能一致的情況下，通過對代碼進行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗。

2.3.2 對懸空引腳的處理

對于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因為cmos懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會導(dǎo)致輸入端信號電平隨機變化，導(dǎo)致cpu在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進入睡眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。所以正確的方法是，根據(jù)引腳的初始狀態(tài)，將未使用的輸入端接到相應(yīng)的供電電壓來保持高電平，或通過接地來保持低電平。

2.3.3 緩沖器的選擇

緩沖器有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频龋?dāng)僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加緩沖器時，必須慎重考慮，因驅(qū)動電流過大會導(dǎo)致更多的能量被浪費掉。所以應(yīng)仔細檢查芯片的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅(qū)動下級芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級芯片時應(yīng)盡量避免使用緩沖器。

2.4 電源供給電路

由于使用雙cpu架構(gòu)，外設(shè)很多，需要很多種電源。僅以主cpu來說，就需要1.3v、2.4v和2.8v電壓，因此需要很多電壓變化單元。通常，有以下幾種電壓變換方式：線性調(diào)節(jié)器；dc／dc；ldo(低漏失調(diào)節(jié)器)。其中l(wèi)do本質(zhì)上是一種線性穩(wěn)壓器，主要用于壓差較小的場合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點是效率低、功耗高，其效率η完全取決于輸出電壓大小。

dc／dc電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復(fù)雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對較大，價格也比線性穩(wěn)壓高，對于升壓，只能使用dc／dc。因此，在設(shè)計中，對于電源紋波噪音要求不嚴(yán)的情況，都是使用dc／dc的電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機的功耗。

2.5 led燈的控制

智能手機電路中，鍵盤和lcd背光燈工作時會消耗大量能量。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15 ma，正向電壓典型值為14.4 v，背光燈消耗功率典型值為216 mw。