分析智慧型手機的硬體體系結構

2021-03-03 20:40:30 字數 2971 閱讀 1928

隨著通訊產業的不斷發展,移動終端已經由原來單一的通話功能向話音、資料、影象、**和多**方向綜合演變。 而對於移動終端,基本上可以分成兩種:一種是傳統手機(feature phone);另一種是智慧型手機(**art phone)。

智慧型手機具有傳統手機的基本功能,並有以下特點:開放的作業系統、硬體和軟體的可擴充性和支援第三方的二次開發。相對於傳統手機,智慧型手機以其強大的功能和便捷的操作等特點,越來越得到人們的青睞,將逐漸成為市場的一種潮流。

然而,作為一種可攜式和移動性的終端,完全依靠電池來供電,隨著智慧型手機的功能越來越強大,其功率損耗也越來越大。因此,必須提高智慧型手機的使用時間和待機時間。對於這個問題,有兩種解決方案:

一種是配備更大容量的手機電池;另一種是改進系統設計,採用先進技術,降低手機的功率損耗。 現階段,手機配備的電池以鋰離子電池為主,雖然鋰離子電池的能量密度比以往提公升了近30%,但是仍不能滿足智慧型手機發展需求。就目前使用的鋰離子電池材料而言,能量密度只有20%左右的提公升空間。

而另一種被業界普遍看做是未來手機電池發展趨勢的燃料電池,能使智慧型手機的通話時間超過13 h,待機時間長達1個月,但是這種電池技術仍不成熟,離商用還有一段時間[1]。增大手機電池容量總的趨勢上將會增加整機的成本。 因此,從智慧型手機的總體設計入手,應用先進的技術和器件,進行降低功率損耗的方案設計,從而盡可能延長智慧型手機的使用時間和待機時間。

事實上,低功耗設計已經成為智慧型手機設計中乙個越來越迫切的問題。 1 智慧型手機的硬體系統架構本文討論的智慧型手機的硬體體系結構是使用雙cpu架構,。

主處理器執行開放式作業系統,負責整個系統的控制。從處理器為無線modem部分的dbb(數字基帶晶元),主要完成語音頻號的a/d轉換、d/a轉換、數字語音頻號的編譯碼、通道編譯碼和無線modem部分的時序控制。主從處理器之間通過串列埠進行通訊。

主處理器採用***公司的cpu晶元,它採用cmos工藝,擁有arm926ej-s核心,採用arm公司的amba(先進的微控制器匯流排體系結構),內部含有16 kb的指令cache、16 kb的資料cache和mmu(儲存器管理單元)。為了實現實時的**會議功能,攜帶了乙個優化的mpeg4硬體編解碼器。能對大運算量的mpeg4編譯碼和語音壓縮解壓縮進行硬體處理,從而能緩解arm核心的運算壓力。

主處理器上含有lcd(液晶顯示器)控制器、攝像機控制器、sdram和srom控制器、很多通用的gpio口、sd卡介面等。這些使它能很出色地應用於智慧型手機的設計中。 在智慧型手機的硬體架構中,無線modem部分只要再加一定的外圍電路,如音訊晶元、lcd、攝像機控制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等,就是乙個完整的普通手機(傳統手機)的硬體電路。

模擬基帶(abb)語音頻號引腳和音訊編解碼器晶元進行通訊,構成通話過程中的語音通道。 從這個硬體電路的系統架構可以看出,功耗最大的部分包括主處理器、無線modem、lcd和鍵盤的背光燈、音訊編解碼器和功率放大器。因此,在設計中,如何降低它們的功耗,是乙個很重要的問題。

2 低功耗設計 2.1 降低cpu部分的供電電壓和頻率在數字積體電路設計中,cmos電路的靜態功耗很低,與其動態功耗相比基本可以忽略不計,故暫不考慮。其動態功耗計算公式為pd="ctv2f"    (1)

式中:pd為cmos晶元的動態功耗;ct為cmos晶元的負載電容;v為cmos晶元的工作電壓;f為cmos晶元的工作頻率。 由式(1)可知,cmos電路中的功率消耗與電路的開關頻率呈線性關係,與供電電壓呈二次平方關係。

對於cpu來說,vcore電壓越高,時鐘頻率越快,則功率消耗越大,所以,在能夠正常滿足系統效能的前提下,盡可能選擇低電壓工作的cpu。對於已經選定的cpu來說,降低供電電壓和工作頻率,能夠在總體功耗上取得較好的效果。 對於主cpu來說,核心供電電壓為1.

3 v,已經很小,而且其全速執行時的主頻可以完全根據需要進行設定,其內部所需的其他各種頻率都是通過主頻分頻產生。主cpu主頻fcpu計算公式如下: 在***s晶元上,為了防止靜電造成損壞,不用的引腳不能懸空,一般接下拉電阻來降低輸入阻抗,提供洩荷通路。

需要加上拉電阻來提高輸出電平,從而提高晶元輸入訊號的雜訊容限來增強抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時, 必須要考慮以下幾點: a)從節約功耗及晶元的倒灌電流能力上考慮,上拉電阻應足夠大,以減小電流; b)從確保足夠的驅動電流考慮,上拉電阻應足夠小,以增大電流; c)在高速電路中,過大的上拉電阻會使訊號邊沿變得平緩,訊號完整性會變差。

因此,在考慮能夠正常驅動后級的情況下(即考慮晶元的vih或vil),盡可能選取更大的阻值,以節省系統的功耗。對於下拉電阻,情況類似。 2.

3.2 對懸空引腳的處理對於系統中cmos器件的懸空引腳,必須給予重視。因為cmos懸空的輸入端的輸入阻抗極高,很可能感應一些電荷導致器件被高壓擊穿,而且還會導致輸入端訊號電平隨機變化,導致cpu在休眠時不斷地被喚醒,從而無法進入睡眠狀態或其他莫名其妙的故障。

所以正確的方法是,根據引腳的初始狀態,將未使用的輸入端接到相應的供電電壓來保持高電平,或通過接地來保持低電平。 2.3.

3 緩衝器的選擇緩衝器有很多功能,如電平轉換、增加驅動能力、資料傳輸的方向控制等,當僅僅基於驅動能力的考慮增加緩衝器時,必須慎重考慮,因驅動電流過大會導致更多的能量被浪費掉。所以應仔細檢查晶元的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅動下級晶元,當可以通過選取合適的前後級晶元時應盡量避免使用緩衝器。 2.

4 電源供給電路由於使用雙cpu架構,外設很多,需要很多種電源。僅以主cpu來說,就需要1.3v、2.

4v和2.8v電壓,因此需要很多電壓變化單元。通常,有以下幾種電壓變換方式:

線性調節器;dc/dc;ldo(低漏失調節器)。其中ldo本質上是一種線性穩壓器,主要用於壓差較小的場合,所以將其合併為線性穩壓器。 線性穩壓器的特點是電路結構簡單,所需元件數量少,輸入和輸出壓差可以很大,但其致命弱點是效率低、功耗高,其效率η完全取決於輸出電壓大小。

dc/dc電路的特點是效率高、公升降壓靈活,缺點是電路相對複雜,紋波雜訊干擾較大,體積也相對較大,**也比線性穩壓高,對於公升壓,只能使用dc/dc。因此,在設計中,對於電源紋波噪音要求不嚴的情況,都是使用dc/dc的電壓轉換器件,這樣可以有效地節約能量,降低智慧型手機的功耗。

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