基于智能手机系统架构优化的低功耗设计方案

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。

接口驱动电路的低功耗设计

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。

2.3.2 对悬空引脚的处理

对于系统中cmos器件的悬空引脚，必须给予重视。因为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。所以正确的方法是，根据引脚的初始状态，将未使用的输入端接到相应的供电电压来保持高电平，或通过接地来保持低电平。

2.3.3 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，当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。所以应仔细检查芯片的最大输出电流ioh和iol是否足够驱动下级芯片，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。

2.4 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：线性调节器；dc／dc；ldo(低漏失调节器)。其中ldo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。因此，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。

2.5 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。例如本文架构中使用的lcd，其背光灯电气要求如下： 正向电流典型值为15 ma，正向电压典型值为14.4 v，背光灯消耗功率典型值为216 mw。