智能手机的硬件体系结构

　　在硬件架构中智能手机的工作模式与主cpu的工作模式密切相关。为了降低功耗，主cpu定义了4种工作模式：general clock gating mode；idle mode：sleep mode；stop mode。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：正常工作模式(normal)；空闲模式(idle)；睡眠模式(sleep)；关机模式(off)。各种模式说明如下：

　　a)正常工作模式：主cpu工作模式为general clock gating mode；主cpu全速运行；时钟频率为204 mhz。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的运行状态，如播放mp3、打电话、实际测量，这种模式下智能手机工作电流为200 ma左右。

　　b)空闲模式：主cpu工作模式为idle mode，主cpu主时钟停止；时钟频 率为204 mhz。在空闲状态下，键盘背关灯和lcd背光灯关闭，lcd上有待机画面，特定的事件可以使智能手机空闲模式进入正常工作模式，如点击触摸屏、定时唤醒、按键、来电等。

　　c)睡眼模式：主cpu工作模式为sleep mode，除了主cpu内部的唤醒逻辑打开外，其余全关闭；主cpu时钟为使用36.768 khz的慢时钟。除了modem以外，外设全部关闭，定义短时按开机键，使智能手机从睡眠模式下唤醒进入正常工作状态。

　　d)关机模式：主cpu工作模式为stop mode，除了主cpu泄漏电流外，不消耗功率；主cpu关闭。智能手机必须重新开机之后，才能进正常工作模式，实际测量，手机在这种模式下电流为100μa。

　　从以上看出，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，处理完响应的事件后迅速进入空闲模式或睡眠模式。

　　2.2.2 关闭空闲的外设控制器和外设

　　在硬件系统的架构中，可以看到，主cpu通过相应的接口，外接了很多外部设备，例如lcd、摄像机、irda(红外适配器)、蓝牙、音频编解码器、功率放大器等设备。当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态的外设，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。特别是对于大功耗的外设，必须对其进行可靠的关闭。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，即使智能手机处于正常工作模式下，在不同运行状态，各种接口控制器的使用状况也是不同的；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。对于主cpu来说，各外设接口控制器的电流消耗[2]如下：nand flash为2.9 ma；lcd为5.8 ma；usb host为0.4 ma；usb驱动器为2.9 ma；定时器为0.5 ma；sdi为1.9 ma；uart为3.6 ma；rtc为0.4 ma；a／d转换器为0.4 ma；iic为0.6 ma；iis为0.5 ma；spi为0.5 ma。

　　在图1所示的智能手机硬件架构中，spi接口、usb host接口没有使用，因此可以通过设置spcono和hccontrol寄存器永远地关闭spi和usb host接口，这样可以节省0.9(0.5+0.4)ma的电流。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。

　　2.3 接口驱动电路的低功耗设计

　　当选择智能手机外围芯片如sdram、lcd、摄像机、音频编解码器等器件时，除了要考虑其性能外，还必须考虑其正常工作时的功耗。在设计接口电路时，必须考虑以下几个因素：

　　2.3.1 上拉电阻／下拉电阻的选取

　　软件优化是一个很重要的工作，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[5]。如表1所示的arm汇编，把指令转变成二进制编码后，不同之处就是各个寄存器操作数的二进制编码不同。

　　根据表1，从电气性能上来看，通过减小连续指令之间的汉明(hamming)距离，原代码比优化后代码的比特位变化多6次，而两组代码实现同样的功能，因此，优化后的指令执行时的功耗小于原先指 令。因此，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。

　　3 试验结果和讨论

　　在智能手机的设计中，通过不断进行硬件优化和在软件上实现电源的动态管理，测量智能手机在空闲模式和睡眠模式下的功率损耗，结果如表2所示。

　　根据表1，从电气性能上来看，通过减小连续指令之间的汉明(hamming)距离，原代码比优化后代码的比特位变化多6次，而两组代码实现同样的功能，因此，优化后的指令执行时的功耗小于原先指 令。因此，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。

　　从表2可以看出，经过优化设计，智能手机在空闲模式下，电流值减小了10.2 ma，在睡眠模式下，电流值减少了1.5 ma。对于无线modem，由于自身含有独立的电源管理模块，基本上在3 ma左右，变化不大。相比未经优化设计，智能手机经过优化设计后，在睡眠模式下和空闲模式下，功率损耗有了显著的降低，在相同的电池容量下，大大提高了智能手机的待机时间和使用时间。因此，通过上述方法，可以有效地降低智能手机的功耗。

　　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。