智能手机硬件体系结构

智能手机的硬件体系结构

2008-06-04 本文来源：电子设计信息作者：厦门大学信息科学与技术学院江有财

随着通信产业的不断进展，移动终端差不多由原来单一的通话功能向话音、数据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。

而关于移动终端，差不多上能够分成两种：一种是传统手机(feature phone)；另一种是智能手机(smart pho ne)。智能手机具有传统手机的差不多功能，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。相关于传统手机，智能手机以其强大的功能和便捷的操作等特点，越来越得到人们的青睐，将逐渐成为市场的一种潮流。

然而，作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，随着智能手机的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。因此，必须提高智能手机的使用时刻和待机时刻。关于那个问题，有两种解决方案：一种是配备更大容量的手机电池；另一种是改进系统设计，采纳先进技术，降低手机的功率损耗。

现时期，手机配备的电池以锂离子电池为主，尽管锂离子电池的能量密度比以往提升了近30％，然而仍不能满足智能手机进展需求。就目前使用的锂离子电池材料而言，能量密度只有2 0％左右的提升空间。而另一种被业界普遍看做是以后手机电池进展趋势的燃料电池，能使智能手机的通话时刻超过13 h，待机时刻长达1个月，然而这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时刻[1]。增大手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。

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刻和待机时刻。事实上，低功耗设计差不多成为智能手机设计中一个越来越迫切的问题。

1 智能手机的硬件系统架构

本文讨论的智能手机的硬件体系结构是使用双cpu架构，如图1所示。

主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的操纵。从处理器为无线modem部分的dbb(数字基带芯片)，要紧完成语音信号的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部分的时序操纵。主从处理器之间通过串口进行通信。主处理器采纳xxx公司的cpu芯片，它采纳cmos工艺，拥有arm926ej-s内核，采纳arm公司的amba(先进的微操纵器总线体系结构)，内部含有16 kb的指令cache、16 kb的数据cache和mmu(存储器治理单元)。为了实现实时的视频会议功能，携带了一个优化的mpeg4硬件编解码器。能对大运算量的mpeg4编解码和语音压缩解压缩进行硬件处理，从而能缓解arm内核的运算压力。主处理器上含有lcd(液晶显示器)操纵

器、摄像机操纵器、sdram和srom操纵器、专门多通用的gpio 口、sd卡接口等。这些使它能专门出色地应用于智能手机的设计中。

在智能手机的硬件架构中，无线modem部分只要再加一定的外围电路，如音频芯片、lcd、摄像机操纵器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，确实是一个完整的一般手机(传统手机)的硬件电路。模拟基带(abb)语音信号引脚和音频编解码器芯片进行通信，构成通话过程中的语音通道。

从那个硬件电路的系统架构能够看出，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，在设计中，如何降低它们的功耗，是一个专门重要的问题。

2 低功耗设计

2.1 降低cpu部分的供电电压和频率

在数字集成电路设计中，cmos电路的静态功耗专门低，与其动态功耗相比差不多能够忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：

pd="ctv2f" (1)

式中：pd为cmos芯片的动态功耗；ct为cmos芯片的负载电容；v为cmos芯片的工作电压；f为cmos芯片的工作频率。

由式(1)可知，cmos电路中的功率消耗与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。关于cpu来讲，vcore 电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大，因此，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。关于差不多选定的cpu来讲，降低供电电压和工作频率，能够在总体功耗上取得较好的效果。

关于主cpu来讲，内核供电电压为1.3 v，差不多专门小，而且其全速运行时的主频能够完全依照需要进行设置，其内部所需的其他各种频率差不多上通过主频分频产生。主cpu主频fcp u计算公式如下：

在coms芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接下拉电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力。然而在选择上拉电阻时，

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；