智能手機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)

　　2.2.1 定義不同的工作模式

　　在硬件架構(gòu)中智能手機(jī)的工作模式與主cpu的工作模式密切相關(guān)。為了降低功耗，主cpu定義了4種工作模式：general clock gating mode；idle mode：sleep mode；stop mode。在主cpu主頻確定的情況下，智能手機(jī)中定義了對(duì)應(yīng)的4種工作模式：正常工作模式(normal)；空閑模式(idle)；睡眠模式(sleep)；關(guān)機(jī)模式(off)。各種模式說明如下：

　　a)正常工作模式：主cpu工作模式為general clock gating mode；主cpu全速運(yùn)行；時(shí)鐘頻率為204 mhz。智能手機(jī)在這種狀態(tài)下功耗最大，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，如播放mp3、打電話、實(shí)際測(cè)量，這種模式下智能手機(jī)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(shí)鐘停止；時(shí)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(jī)畫面，特定的事件可以使智能手機(jī)空閑模式進(jìn)入正常工作模式，如點(diǎn)擊觸摸屏、定時(shí)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(shí)鐘為使用36.768 khz的慢時(shí)鐘。除了modem以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時(shí)按開機(jī)鍵，使智能手機(jī)從睡眠模式下喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

　　d)關(guān)機(jī)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(jī)必須重新開機(jī)之后，才能進(jìn)正常工作模式，實(shí)際測(cè)量，手機(jī)在這種模式下電流為100μa。

　　從以上看出，智能手機(jī)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(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過軟件設(shè)置，使手機(jī)盡快進(jìn)入空閑模式或睡眠模
式；當(dāng)用戶對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過相應(yīng)的中斷喚醒主cpu，使手機(jī)恢復(fù)正常工作模式，處理完響應(yīng)的事件后迅速進(jìn)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(jī)、irda(紅外適配器)、藍(lán)牙、音頻編解碼器、功率放大器等設(shè)備。當(dāng)智能手機(jī)處于正常工作模式時(shí)，對(duì)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(dá)到關(guān)閉外設(shè)的目的。特別是對(duì)于大功耗的外設(shè)，必須對(duì)其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對(duì)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(shí)的功耗。

　　對(duì)于主cpu的各種接口控制器，一般不會(huì)全部用到，即使智能手機(jī)處于正常工作模式下，在不同運(yùn)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(huì)消耗電流。對(duì)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(dòng)器為2.9 ma；定時(shí)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(jī)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(yuǎn)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(jī)處于正常工作狀態(tài)下，可以對(duì)空閑的接口控制器進(jìn)行關(guān)閉，以進(jìn)一步降低智能手機(jī)的功耗，還可以防止總線上倒灌電流的影響。

　　2.3 接口驅(qū)動(dòng)電路的低功耗設(shè)計(jì)

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

　　2.3.1 上拉電阻／下拉電阻的選取

　　軟件優(yōu)化是一個(gè)很重要的工作，可以大大提高軟件運(yùn)行時(shí)的效率和降低軟件運(yùn)行時(shí)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(jìn)制編碼后，不同之處就是各個(gè)寄存器操作數(shù)的二進(jìn)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(shí)現(xiàn)同樣的功能，因此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時(shí)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(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時(shí)的功耗。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

　　在智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過不斷進(jìn)行硬件優(yōu)化和在軟件上實(shí)現(xiàn)電源的動(dòng)態(tài)管理，測(cè)量智能手機(jī)在空閑模式和睡眠模式下的功率損耗，結(jié)果如表2所示。

　　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(shí)現(xiàn)同樣的功能，因此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時(shí)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(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時(shí)的功耗。

　　從表2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能手機(jī)在空閑模式下，電流值減小了10.2 ma，在睡眠模式下，電流值減少了1.5 ma。對(duì)于無線modem，由于自身含有獨(dú)立的電源管理模塊，基本上在3 ma左右，變化不大。相比未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能手機(jī)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在睡眠模式下和空閑模式下，功率損耗有了顯著的降低，在相同的電池容量下，大大提高了智能手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和使用時(shí)間。因此，通過上述方法，可以有效地降低智能手機(jī)的功耗。

　　隨著手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)會(huì)成為一個(gè)越來越迫切的問題。隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，例如先進(jìn)的電源管理芯片、先進(jìn)的處理器，給設(shè)計(jì)者提供了更大的靈活性，可以大大降低智能手機(jī)功耗。但是，作為設(shè)計(jì)者，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)，必須時(shí)時(shí)考慮如何降低系統(tǒng)的功耗，只有這樣，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)才能擁有一個(gè)良好的性能，得到用戶的青睞。