基于FMC手機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)方案

　　圖2：融合手機(jī)第一代平臺(tái)架構(gòu)。（來源：恩智浦半導(dǎo)體）

　　第二代融合手機(jī)

　　由于越來越多的用戶使用藍(lán)牙耳機(jī)，第二代融合手機(jī)一般都集成了藍(lán)牙（BT）功能。這類手機(jī)集成了三個(gè)射頻系統(tǒng)，并在它們之間進(jìn)行協(xié)調(diào)：由于采用協(xié)同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴(yán)重，因此需要復(fù)雜的射頻接入?yún)f(xié)調(diào)，特別是BT和WLANIC之間進(jìn)行緊密協(xié)調(diào)。

　　圖3：融合手機(jī)第二代平臺(tái)（來源：恩智浦半導(dǎo)體）

　　除此以外，第三個(gè)系統(tǒng)（BT）在空閑（掃描）和通話（即在使用耳機(jī)模式）時(shí)也需要額外功耗。因此BT子系統(tǒng)本身與所在的整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)都需要具備很好的能效。

　　WLAN專用PMU，進(jìn)一步改善系統(tǒng)能耗。采用專用于WLAN和/或BT平臺(tái)的PMU，可以避免因LDO（線性穩(wěn)壓器）造成的損耗，從而達(dá)到進(jìn)一步改善能耗的目標(biāo)。

　　功耗需求的變化

　　功耗需求在過去的兩年里發(fā)生了相當(dāng)大的變化。用戶剛開始還能接受一些解釋：手機(jī)內(nèi)置WLAN，這會(huì)損耗一些電量，待機(jī)時(shí)間只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待機(jī)時(shí)間達(dá)到數(shù)天則成為主要目標(biāo)。但這依然沒有滿足消費(fèi)者的期望：電池即便在支持相同的待機(jī)時(shí)間基礎(chǔ)上還要能夠通話一段時(shí)間（如3個(gè)小時(shí)）。此目標(biāo)運(yùn)營(yíng)商們保持了一段時(shí)間。

　　第一批消費(fèi)者的反饋表明融合手機(jī)必須具備與普通GSM手機(jī)相同的性能。消費(fèi)者不希望因采用FMC技術(shù)而帶來任何明顯的差異，因此，運(yùn)營(yíng)商不但不會(huì)宣傳，甚至?xí)?duì)用戶進(jìn)行隱藏該項(xiàng)技術(shù)?！捌胀ā盙SM手機(jī)的另一個(gè)市場(chǎng)推動(dòng)力是Razr的成功，以及隨之不斷增長(zhǎng)的對(duì)超薄手機(jī)的需求?，F(xiàn)在，相同功能和性能的GSM手機(jī)（也包括FMC手機(jī)）一般都采用650mAh電池，而不是1000mAh，因此所有手機(jī)元件（包括WLAN）需要節(jié)約30%的能耗。圖5是功耗要求的典型演化圖，隨后將討論實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的解決方案。

　　圖4：融合手機(jī)第三代平臺(tái)。（來源：恩智浦半導(dǎo)體公司）

　　關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　整體設(shè)計(jì)

　　作為獨(dú)立的子系統(tǒng)，WLAN子系統(tǒng)需要擁有自己的時(shí)鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時(shí)激活主機(jī)的能力。必須避免在空閑時(shí)間內(nèi)兩個(gè)系統(tǒng)并行工作：如果可以使用首選系統(tǒng)（WLAN），則另一個(gè)系統(tǒng)（GSM）需要進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了取得良好的關(guān)鍵性能和用戶體驗(yàn)，某些偏差也可以接受（例如，在通話期間）。使處理器之間的通信最小化。WLAN只有在收到相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)才激活主機(jī)。RSSI（電平）測(cè)量應(yīng)在WLAN子系統(tǒng)內(nèi)局部進(jìn)行—只有測(cè)量值超出給定極限才激活主機(jī)。

　　圖5：UMA 手機(jī)功耗的演變過程。

　　協(xié)議分層及例外

　　嵌入軟件通常按照OSI模型進(jìn)行分層：物理層在專門的硬件/DSP/CPU上運(yùn)行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗在硬件和軟件中都采用“內(nèi)置設(shè)計(jì)”（即通過時(shí)鐘/電壓等級(jí)、省電模式等）；較高層將在功耗更高的主CPU（或應(yīng)用CPU）上運(yùn)行；通常涉及到不同組織、路線圖、團(tuán)隊(duì)、軟件語言、OS、工具和限制等。

　　作為通用規(guī)則系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)按照時(shí)間域布置軟件層：GSM中，每一幀的處理應(yīng)在DSP上完成而不是主CPU（以前情況并非如此，通常項(xiàng)目預(yù)算也不允許完全重新設(shè)計(jì)），不過協(xié)議工作應(yīng)在主CPU上完成。

　　以下例外情況如果可以實(shí)現(xiàn)，則將大大降低待機(jī)功耗：

　　GSM中：協(xié)議每0.5秒檢查用戶收到的信息是否為呼叫，這項(xiàng)工作可以轉(zhuǎn)交DSP，使主CPU有更長(zhǎng)的睡眠時(shí)間。

　　WLAN中：每0.1秒—0.5秒進(jìn)行一次RSSI和其它測(cè)量，但只有當(dāng)動(dòng)態(tài)下載極限超出上、下值并將產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)，才應(yīng)激活主處理器。

　　惰性范式

　　一般情況下，所有算法設(shè)計(jì)時(shí)都考慮最差狀態(tài)下的最佳性能。如果有足夠的可用電源，這種方法不會(huì)產(chǎn)生任何問題，但通常情況下這一要求會(huì)過高，從而需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

　?。?.5秒查看鄰近小區(qū)可以產(chǎn)生良好的切換性能，而在空閑狀態(tài)下此動(dòng)作可以被簡(jiǎn)化。

　?。褂猛獠侩娫垂ぷ鲿r(shí)（充電器、USB電纜），可以選擇最高性能的算法，而使用電池時(shí)則減少此類操作。

　?。灰脩暨M(jìn)行操作（如按鍵）就應(yīng)激活高性能算法，但在一段時(shí)間內(nèi)沒有任何操作，則應(yīng)使用電池優(yōu)化算法。

　　－軟件只應(yīng)做必需的事情（在限制功耗狀態(tài)下），只在必要時(shí)刷新緩存，而不是采用自動(dòng)定時(shí)刷新的方式。

　?。謾C(jī)要考慮到環(huán)境的變化，如檢測(cè)“全天同一位置”與“不斷移動(dòng)”的情況，以釋放網(wǎng)絡(luò)掃描等請(qǐng)求。

　　-高級(jí)節(jié)能措施還需要考慮電池狀態(tài)的變化：如果電池電量下降，則移動(dòng)切換速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要進(jìn)一步降低。

　　－系統(tǒng)范式需要全局接口以及應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)的單一設(shè)計(jì)，如“使用電池”與“使用電源”狀態(tài)或活動(dòng)指示等。所有算法都需要這些信息。

　　關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)

　　替換“Do…While”循環(huán)

　　嵌入軟件一般具有很多以并行邏輯運(yùn)行的RTK任務(wù)。多數(shù)情況下，軟件需要等待某個(gè)條件為真，如“AP已關(guān)聯(lián)”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一種簡(jiǎn)單的方案（經(jīng)常用于“C”語言），即在一個(gè)任務(wù)中使用“Do…while”命令，并用循環(huán)輪詢來獲得較低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的結(jié)果（如IP協(xié)議棧）。

　　此時(shí)，CPU保持運(yùn)行直至條件成立，這將導(dǎo)致高功耗。實(shí)際例子：等待顯示器完成刷新。

　　較好的方案是啟動(dòng)RTK定時(shí)器，然后進(jìn)入一段睡眠時(shí)間，過后再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種“輪詢”，但減少了對(duì)功耗的影響，并可以采用不同的睡眠間隔度，動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的性能需求。

　　更好的方案是采用RTK消息與中斷，當(dāng)最終達(dá)到條件時(shí)激活主機(jī)。這樣能夠最大程度地降低功耗，不過中斷是一種稀有資源，而系統(tǒng)架構(gòu)必須在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮最高效功耗。不幸的是，功耗問題一般在產(chǎn)品生產(chǎn)后期才被發(fā)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，但很少有人會(huì)重新設(shè)計(jì)。

　　定時(shí)器管理是關(guān)鍵

　　嵌入軟件經(jīng)常需要從幾毫秒到數(shù)天的定時(shí)范圍，特別是硬件處理、軟件輪詢，或由標(biāo)準(zhǔn)給定（IP、電信等）。定時(shí)器到時(shí)需要激活CPU并運(yùn)行RTK/OS程序。退出省電模式后需要一段時(shí)間來達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，而返回省電模式也需要一些時(shí)間來準(zhǔn)備下一次的正確激活。CPU激活一般非?？欤ㄔ谖⒚敕秶?，但主時(shí)鐘仍需運(yùn)行，這樣只節(jié)省了少量功耗。全系統(tǒng)的睡眠（包括主時(shí)鐘）可能需要5至20毫秒的激活時(shí)間，但只有這種方法才能提供最大的節(jié)能效果。

　　應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)定時(shí)器頻繁過期情況。給定900毫秒的定時(shí)器可以通過900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（時(shí)鐘計(jì)時(shí)單元）來實(shí)現(xiàn)，這樣做對(duì)功耗有著全然不同的影響。操作系統(tǒng)應(yīng)使用最大tick長(zhǎng)度。這意味著為獲得最大節(jié)能效果，必須盡可能放松對(duì)定時(shí)器精度的要求，例如不采用900毫秒（此時(shí)操作系統(tǒng)tick的時(shí)間間隔為100毫秒），實(shí)際應(yīng)用中“1秒”可能已經(jīng)足夠。手機(jī)擁有與實(shí)際空中接口物理層相關(guān)的系統(tǒng)tick。使用這些tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少激活的次數(shù)。GSM每幀4.615毫秒，使用這個(gè)時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)“tick”成為自然的選擇。語音采用多個(gè)20毫秒做為時(shí)間間隔，需要不同的tick。WLAN信標(biāo)基于100毫秒的自然tick間隔。

　　功耗問題將永遠(yuǎn)存在

　　手機(jī)行業(yè)屬于快速變化的行業(yè)，每年都會(huì)在新款手機(jī)上增添很多新功能，而用戶期望的使用時(shí)間卻與上一代手機(jī)一致，甚至更長(zhǎng)。即使在更大屏幕尺寸、更大畫面尺寸、更多可存儲(chǔ)音樂，以及更多的接入網(wǎng)方式（用戶甚至經(jīng)?？床坏剑┑那闆r下，用戶對(duì)電池使用時(shí)間的預(yù)期依然不變。鑒于提高電池容量