優(yōu)化雙帶雙模手機(jī)的處理器間通信

　　引言

　　隨著全球化的推進(jìn)，當(dāng)今以商務(wù)和休閑為目的的環(huán)球旅行已經(jīng)非常普遍；伴隨著旅行而來的則是要隨身攜帶差旅必備的物品與新興電子產(chǎn)品 (gadget)。幸運(yùn)的是，目前的手機(jī)功能非常豐富，我們不用再帶上 MP3 播放器、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、攝像機(jī)和手持式視頻游戲機(jī)等多個(gè)設(shè)備。手機(jī)每年的出貨量超過 10 億部，已成為人們出門必帶的產(chǎn)品。不過，如果帶上了手機(jī)出國，到了國外卻不能用，那真是一件令人頭疼的事。日、韓等國與大多數(shù)歐洲國家只支持 GSM 不同，他們采用的是 CDMA 和 FOMA 標(biāo)準(zhǔn)。眾多其他國家則同時(shí)支持 GSM 和 CDMA 這兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)，但具體采用何種標(biāo)準(zhǔn)取決于所訂閱的電信運(yùn)營商。因此，一部手機(jī)不見得能滿足全球范圍使用的要求。許多旅行者最后不得不帶上兩部手機(jī)，或者在機(jī)場購買新的 SIM 卡，然后再把新的電話號(hào)碼用電子郵件通知朋友和同事。

　　隨著手機(jī)制造商競相推出用戶希望的“全球性”漫游功能，上述這種不便催生了雙帶雙模 (DBDM) 手機(jī)的發(fā)展，這種手機(jī)能支持真正的全球可用性。DBDM手機(jī)是一種包括兩個(gè)不同基帶處理器的手機(jī)，有兩個(gè)插槽，一個(gè)可以插 SIM 卡支持 GSM 通道，另一個(gè)則用于插入可移動(dòng)用戶識(shí)別模塊 (RUIM) 支持 CDMA 通道。不過，有些其電路板本身已集成 CDMA 功能塊的手機(jī)則可能只帶一個(gè)槽，用于插入 GSM SIM 卡。目前在其產(chǎn)品線中力推“全球性手機(jī)”的主力手機(jī)制造商包括 RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

　　除處理預(yù)定的 CDMA 與 GSM 信號(hào)外，每個(gè)基帶處理器還在手機(jī)中負(fù)責(zé)執(zhí)行各自具體的任務(wù)，其中包括支持鍵區(qū)和 LED 等簡單應(yīng)用，乃至操作 LCD 屏幕、攝像頭及視頻處理等復(fù)雜功能。由于兩個(gè)分立處理器都要接收信號(hào)，而且還要分別執(zhí)行各種不同的其它應(yīng)用任務(wù)，因此必須確保在兩個(gè)處理器之間高效傳輸數(shù)據(jù)，避免最終用戶在使用中感覺到延遲，并盡可能減小對(duì)電池使用壽命的影響，甚至不影響。隨著高分辨率手機(jī)攝像頭和視頻流技術(shù)在手機(jī)中的應(yīng)用，手機(jī)文件尺寸不斷加大，數(shù)據(jù)傳輸速率越來越快，這就需要進(jìn)一步提供這兩個(gè)分立處理器間的數(shù)據(jù)處理效率。我們在訪問手機(jī)中存儲(chǔ)的圖片或視頻時(shí)，不是經(jīng)常因?yàn)槭謾C(jī)半天沒反應(yīng)而頭疼不已嗎？這是什么原因造成的呢？

　　隨著電信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸速率已從過去2.5/2.75G手機(jī)的 Kbps 級(jí)發(fā)展到了目前 3.5G HSPA手機(jī)的 Mbps 級(jí)。WiMax、WiBro、LTE 和 UMB 等目前正投入試用的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)提出的更高速度要求，處理器的處理能力在不斷提高，蜂窩網(wǎng)絡(luò)在不斷升級(jí)，以適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率指數(shù)級(jí)增長的要求。

　　盡管基帶處理器處理能力提高了，蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率加快了，但手機(jī)本身的內(nèi)部架構(gòu)仍然很落后，從而限制了手機(jī)功能的最佳發(fā)揮，這就需要優(yōu)化處理器間通信架構(gòu)。相對(duì)于蜂窩手機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的指數(shù)級(jí)發(fā)展，電信領(lǐng)域中手機(jī)本身的發(fā)展比較滯后。目前，我們的基帶處理器和應(yīng)用處理器的處理速度可達(dá)每秒百萬條指令 (MIPS)， HSPA手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 10Mbps 甚至更高。然而，盡管集中精力在提高處理器能力與無線數(shù)據(jù)傳輸速率，但處理器間通信一直是一個(gè)很大的瓶頸。許多手機(jī)設(shè)計(jì)人員都面臨這一問題，即便采用最新、功能最強(qiáng)大的處理器與芯片組，卻未能有效提高手機(jī)產(chǎn)品的性能。

　　當(dāng)前解決方案及其缺點(diǎn)

　　目前的手機(jī)架構(gòu)采用多種處理器間通信技術(shù)。當(dāng)前比較流行的直接接口包括SPI、I2C、UART和USB。

　　盡管 SPI 能支持 20Mbps 以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，但其沒有統(tǒng)一的規(guī)范，因此主要取決于采用什么樣的處理器。若采用基帶處理器， SPI 一般可支持約 16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于眾多基帶處理器制造商推出各自的專利產(chǎn)品，因此不同基帶處理器上不同的SPI接口會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員提出不同的挑戰(zhàn)，難以將兩個(gè)不同基帶處理器成功配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)最佳SPI 速度。

　　另一方面，盡管最新 I2C 規(guī)范提出了吞吐量高達(dá) 3.4Mbps的高速模式，但目前可用的大多數(shù)設(shè)備只能支持400Kbps到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。就這種速度而言，I2C 對(duì)目前的電信需求來說太慢了。

　　手機(jī)中的第三類互連技術(shù)就是UART。UART的典型數(shù)據(jù)傳輸速率約為 1.5Mbps，而高速UART 則支持高達(dá) 5Mbps 的速率。但，這種數(shù)據(jù)傳輸速率還是不能滿足高帶寬處理器間通信的要求。

　　比較流行的一種互連技術(shù)是采用通用串行總線 (USB) 接口。大多數(shù)處理器都具備全速USB（FS-USB）性能。FS-USB的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 12Mbps，由于USB協(xié)議本身的數(shù)據(jù)包開銷較高，因此其實(shí)際吞吐量約為 6Mbps。此外，大多數(shù)基帶處理器不具備 USB 主機(jī)功能，而這對(duì) USB 解決方案來說又是必需的。因此，我們必須內(nèi)置額外的 USB 主機(jī)功能。USB連接技術(shù)不但不能滿足目前HSPA手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求外，而且還會(huì)增加功耗，這是因?yàn)閁SB主機(jī)即便在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也始終保持工作狀態(tài)。此外，基帶處理器上可用的 USB 端口數(shù)量通常也受限制，因?yàn)閁SB也是手機(jī)連接到PC的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　此前，就較慢網(wǎng)絡(luò)上的文本消息和簡單的數(shù)據(jù)傳輸而言，上述互連技術(shù)基本還算夠用。但是，由于 HSPA手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)14.4Mbps甚至更高，以上這些目前流行的接口將難以以高效、最佳的方式支持所需吞吐量。

　　那么，設(shè)計(jì)人員怎么才能滿足當(dāng)前對(duì)手機(jī)更高吞吐量的需求呢？

　　備選解決方案及其優(yōu)點(diǎn)

　　解決處理器間互連問題的一種潛在解決方案就是采用多端口互連技術(shù)，這也是目前眾多DBDM架構(gòu)所使用的一種技術(shù)。在 DBDM 架構(gòu)中，緩沖多端口器件作為兩個(gè)CPU之間的互連機(jī)制，能支持兩者之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，而且也有助于降低處理器間通信 (IPC) 的功耗。

　　速度

　　采用多端口互連技術(shù)的最明顯優(yōu)勢就在于速度高。雙端口存儲(chǔ)器的存取時(shí)間僅為 40ns，能支持高達(dá) 400Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速度，這不僅足以滿足目前HSPA手機(jī)要求，而且還為今后吞吐量需求的進(jìn)一步提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)（比方說 LTE 標(biāo)準(zhǔn)）。隨著手機(jī)技術(shù)日益復(fù)雜，處理器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量肯定會(huì)不斷加大。利用多端口互連技術(shù)，手機(jī)設(shè)計(jì)人員將不再被處理期間通信瓶頸的問題所困擾。

　　功耗

　　除了高速之外，低功耗也是 DBDM 手機(jī)的一大關(guān)鍵要求。如果在整個(gè) IPC 期間兩個(gè)基帶處理器都要求保持工作狀態(tài)（如SPI、UART、I2C或USB一樣），那么肯定會(huì)影響電池使用壽命。除此之外，處理器間保持通信還要占用各自的專用資源，從而降低處理器性能。

　　多端口解決方案支持處理器間的無源通信。處理器可根據(jù)需要寫入多端口互連，然后再進(jìn)入睡眠模式。另一個(gè)基帶處理器可根據(jù)需要在方便的時(shí)候存取數(shù)據(jù)。由于多端口互連機(jī)制作為緩沖，因此接收方處理器可在收到多端口互連中斷之間一直處于睡眠模式，只在需要接收數(shù)據(jù)的時(shí)候再進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　我們不妨看看下面這個(gè)例子，比較一下多端口 IPC 解決方案和基于 FS-USB 的 IPC 解決方案。實(shí)際吞吐量為 6Mbps 的 FS-USB 解決方案傳輸 480Mb（60MB）數(shù)據(jù)或 10 首 MP3 歌曲需要 1 分20 秒的時(shí)間，而用多端口互連技術(shù)傳輸同樣的數(shù)據(jù)量只需要 5 秒鐘（假定實(shí)際吞吐量為 100Mbps）。核心電壓為 1.2V 的典型基帶處理器工作時(shí)功耗為 120mW，睡眠模式下功耗為 0.24mW。如果兩個(gè)處理器在 80 秒鐘的 IPC期間一直處于工作狀態(tài)，那么采用 USB 的解決方案功耗就為 5.33mWH [（120x2） x 80/3600]，而采用多端口技術(shù)時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸期間只有一個(gè)處理器工作，處理器加上多端口互連（~27mW）的總電池耗電量僅為0.743mWH [（（（120 + 0.24） x 2） + 27） x 10/3600]。也就是說，在一次 IPC 期間，我們就實(shí)現(xiàn)了 85% 的節(jié)電效果，隨著人們用手機(jī)下載音樂、圖片、電子郵件以及瀏覽因特網(wǎng)越來越多，這種節(jié)電功能必將發(fā)揮巨大作用。

　　靈活性

　　互連緩沖的另一優(yōu)勢在于，采用多端口器件實(shí)施 IPC時(shí)無需軟件驅(qū)動(dòng)程序，這就使手機(jī)制造商基本不用修改整體軟件 IPC 架構(gòu)就能針對(duì)不同地區(qū)推出不同型號(hào)的產(chǎn)品。這就提高了制造商在不同處理器上采用不同操作系統(tǒng)的靈活性，并能根據(jù)系統(tǒng)需求靈活地選擇處理器，而不必受到 IPC 的局限。

　　單芯片解決方案

　　近期推出的單芯片解決方案包括了GSM和CDMA的選定頻帶，這是一項(xiàng)令人感興趣的新發(fā)展。在這種解決方案中，由于要在單芯片上集成所有必需的功能，通常會(huì)在特性與性能上進(jìn)行取舍。這種處理器比較新，還沒有完全經(jīng)過市場的檢驗(yàn)。大多數(shù)制造商仍然希望采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的解決方案，通常不希望在性能要求方面折衷。因此，從提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率以及滿足特性要求方面來說，雙處理器架構(gòu)是較理想的選擇。

　　結(jié)論

　　隨著 HSPA手機(jī)的發(fā)展，以及視頻與數(shù)字內(nèi)容質(zhì)量的改進(jìn)，這在近期會(huì)催生處理器間通信架構(gòu)的革命性發(fā)展。傳統(tǒng)的互連機(jī)制已不再適應(yīng)基帶處理器數(shù)據(jù)吞吐量的要求，也不能滿足未來移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的要求。一些手機(jī)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到這個(gè)懸而未決的問題，并開始在 DBDM 手機(jī)中轉(zhuǎn)而采用低功耗的多端口互連技術(shù)。多端口互連技術(shù)不僅能支持當(dāng)前手機(jī)設(shè)計(jì)方案的高帶寬與低功耗要求，而且還能幫助設(shè)計(jì)人員靈活地推出成本更低、質(zhì)量更高、上市速度更快的手機(jī)。