智能手机硬件架构ppt

• DPM(动态电源管理)是在系统运行期间通过对系 统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目 的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关， 该工作往往通过软件来实现 • 主要通过如下方式实现降低功耗： 定义不同的工作模式 关闭空闲的外设控制器和外设
定义不同的工作模式
• 在主CPU主频确定的情况下，智能手机中定义了对应的4 种工作模式来降低功耗：正常工作模式(normal)；空闲模 式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off) • 智能手机在正常工作模式下的功率比空闲模式、睡眠模式 下大得多。因此，当用户没有对手机进行操作时，通过软 件设置，使手机尽快进入空闲模式或睡眠模式；当用户对 手机进行操作时，通过相应的中断唤醒主CPU，使手机恢 复正常工作模式，处理完相应的事件后迅速进入空闲模式 或睡眠模式
对悬空引脚的处理
• 在选择上拉电阻时，必须要考虑以下几点: a、从节约功耗及芯片的倒灌电流能力上考虑，上拉电 阻应足够大，以减小电流 b、从确保足够的驱动电流考虑，上拉电阻应足够小， 以增大电流 c、在高速电路中，过大的上拉电阻会使信号边沿变得 平缓，信号完整性会变差 在考虑能够正常驱动后级的情况下(即考虑芯片的 Vih )， 或 Vil 尽可能选取更大的阻值，以节省系统的功耗。 • 对于下拉电阻，情况类似
关闭空闲的外设控制器和外设
• 当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状ห้องสมุดไป่ตู้的外设， 可以通过主CPU的GPIO口，控制给外设供电的LDO或者 DC/DC电源芯片，通过关闭外设的供电电源芯片，以达到 关闭外设的目的 • 对于一些正在工作的外设，如音频编解码器，通过设置内 部的寄存器，关闭芯片内部不使用的通道、功率放大器、 D/A转换器等，以降低这些器件工作时的功耗 • 对于主CPU的各种接口控制器，一般不会全部用到；接口 控制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流 • 当智能手机处于正常工作状态下，可以对空闲的接口控制 器进行关闭，以进一步降低智能手机的功耗，还可以防止 总线上倒灌电流的影响
p d = C tV 2 f
p d 为CMOS芯片的动态功耗； t为CMOS芯片的负载电容； C
V为CMOS芯片的工作电压；f为CMOS芯片的工作频率 • 对于CPU来说， 电压越高，时钟频率越快，则功率消耗 越大，所以，在能够正常满足系统性能的前提下，尽可能 选择低电压工作的CPU
对悬空引脚的处理
智能手机硬件架构
智能手机简介
• 智能手机具有传统手机的基本功能，并有以下特点：开放 的操作系统、硬件和软件的可扩充性和支持第三方的二次 开发。相对于传统手机，智能手机具有强大的功能和便捷 的操作等特点 • 随着智能手机的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。 现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主。就目前使用 的锂离子电池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空 间，但是仍不能满足智能手机发展需求。 • 因此，从智能手机的总体设计入手，应用先进的技术和器 件，进行降低功率损耗的方案设计，从而尽可能延长智能 手机的使用时间和待机时间。低功耗设计越来越迫切。
缓冲器的选择
• 缓冲器有很多功能，如电平转换、增加驱动能力、数据传 输的方向控制等。 • 仅仅基于驱动能力的考虑增加缓冲器时，必须慎重考虑， 因驱动电流过大会导致更多的能量被浪费掉。 • 应仔细检查芯片的最大输出电流I oh I ol是否足够驱动下级 和 芯片，当可以通过选取合适的前后级芯片时应尽量避免使 用缓冲器
小结
• 随着手机技术的发展，特别在智能手机设计中，低功耗设 计会成为一个越来越迫切的问题。 • 随着一些新技术的出现并应用于智能手机的设计中，例如 先进的电源管理芯片、先进的处理器，给设计者提供了更 大的灵活性，可以大大降低智能手机功耗。 • 但是，作为设计者，在进行系统设计和软件编程时，必须 时时考虑如何降低系统的功耗，只有这样，设计出的系统 才能拥有一个良好的性能，得到用户的青睐。
低功耗设计
• • • • • • • 降低CPU部分的供电电压和频率 对悬空引脚的处理 缓冲器的选择 电源供给电路 LED灯的控制 无线modem部分的控制 软件优化
降低CPU部分的供电电压和频率
• CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本可以 忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：
• CMOS悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电 荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随 机变化，导致CPU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入 睡眠状态或其他莫名其妙的故障 • 正确的方法是：根据引脚的初始状态，将未使用的输入端 接上拉电阻到相应的供电电压来保持高电平，从而提高芯 片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力；或通过接下拉 电阻到地来保持低电平，降低输入阻抗，提供泄荷通路
无线modem部分的控制
• 本文智能手机的硬件体系结构采用双CPU架构，无线modem作 为主CPU的一个外设，与主CPU芯片的其他外设相比，具有其 特殊性：例如当智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭LCD、 摄像机等外设的供电电源，而无线modem不行，必须要求无线 modem具有继续等待来电、搜索网络等功能，而不能直接将其 关闭 • 本文硬件架构中的无线modem方案，拥有内部运行完整的 GSM (全球移动通信系统)协议和独立的电源管理模块，主CPU 可以通过UART口和无线modem进行电源管理协商。无线 modem内部的电源管理由自己来控制，当无线modem处于空 闲状态时，自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文 的硬件架构的设计上，当智能手机开机时，给无线modem加电、 关机时，对modem进行断电
电源供给电路
• 由于使用双CPU架构，外设很多，需要很多种电源。仅以主CPU来说， 就需要1.3v、2.4v和2.8v电压，因此需要很多电压变化单元 • 通常有以下几种电压变换方式：线性稳压器；DC/DC；LDO(低漏失 调节器) • IDO本质上是一种线性稳压器，主要用于压差较小的场合，所以将其 合并为线性稳压器 • 线性稳压器的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压 差可以很大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率η完全取决于 输出电压大小 • DC/DC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹 波噪声干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压， 只能使用DC/DC • 在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，都是使用DC/DC的电 压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗
LED灯的控制
• 智能手机电路中，键盘和LCD背光灯工作时会消耗大量能 量，因此，在设计中，必须降低LED灯的功耗。可以通过 以下方法： a、在LED灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来 控制LED灯工作时的电流。 b、利用人眼的迟滞效应，使用PWM (脉宽调制)信号 来控制LED灯的开关：配置内部相应的寄存器，控制 PWM输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制 LED背光灯，以此来降低LCD背光灯的功耗 c、在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面， 让用户在系统设置的LED灯亮度基础上，进一步调节背关 灯的亮度，既增加了手机使用的灵活性，又可进一步降低 了手机的功耗
软件优化
• 软件优化可以大大提高软件运行时的效率和降低软件运行 时的功耗 • 例如指令的重排，在不影响指令执行结果的情况下，可以 消除由于装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引起的指令流 水线的失效 • 系统软件完成后，在保证软件功能一致的情况下，通过对 代码进行优化，可以减小软件在执行时的功耗。
DPM(动态电源管理)
智能手机硬件系统架构
• 目前智能手机一般采用双CPU架构
智能手机硬件系统架构
• 主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。 • 从处理器为无线modem部分的DBB(数字基带芯片)，主要 完成语音信号的A/D转换、D/A转换、数字语音信号的编 解码、信道编解码和无线modem部分的时序控制 • 主从处理器之间通过串口进行通信 • 从硬件电路的系统架构可见，功耗最大的部分包括主处理 器、无线modem、LCD和键盘的背光灯、音频编解码器 和功率放大器。因此设计中如何降低它们的功耗是个重要 的问题。