雙核處理芯片MSM7227在智能手機(jī)中的應(yīng)用與研究

1、雙核處理芯片雙核處理芯片 MSM7227MSM7227 在智能手機(jī)中的應(yīng)用在智能手機(jī)中的應(yīng)用與研究與研究 學(xué)學(xué) 校：校：院院 系：系： 班班 級：級： 學(xué)學(xué) 號：號： 工程碩士生工程碩士生： 工程領(lǐng)域：工程領(lǐng)域： 導(dǎo)導(dǎo) 師師： 導(dǎo)導(dǎo) 師師： 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院The Research and Application of Dual Processor chip MSM7227 in Smart Phone Author： Specialty: Advisor : Advisor : School of Electronics and Elect

2、ric EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai, P.R.ChinaApril 20, 2010上海交通大學(xué)上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密保密，在 年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于 不保密不保密。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“” ）學(xué)位論文作者簽

3、名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要I雙核處理芯片雙核處理芯片 MSM7227MSM7227 在智能手機(jī)中的應(yīng)用與研究在智能手機(jī)中的應(yīng)用與研究摘摘 要要關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：MSM7227，手機(jī)，功耗，硬件上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 ABSTRACTIIThe Research and Application of Dual Processor chip MSM7227 in Smart PhoneABSTRACTKEY WORDS MSM7227, smartphone, power consumption, hardware上海交通大學(xué)工

4、程碩士學(xué)位論文 符號說明III符號說明Abbreviations縮略語縮略語Full spelling英文全名Chinese explanation中文解釋BBModem baseband基帶處理器APApplication Porcess應(yīng)用處理器BSPboard support packet板級支持包 注：在此縮略語按字母順序排列，并非按文中出現(xiàn)順序排列。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目錄IV目目 錄錄 摘摘 要要 .I IABSTRACTABSTRACT .IIII符號說明符號說明 .IIIIII第一章第一章 引言引言 .1 11.1 背景及問題的提出.11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.3

5、 研究的目標(biāo)及其主要的內(nèi)容.5第二章第二章 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析 .6 62.1 傳統(tǒng)架構(gòu).62.2 多核單處理器架構(gòu).72.3 多媒體處理器+調(diào)制解調(diào)器架構(gòu).82.4 本章小結(jié).8第三章第三章 應(yīng)用處理器及周圍電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用處理器及周圍電路的設(shè)計(jì) .9 93.1 處理器的內(nèi)部資源.93.2 電源與時(shí)鐘.103.2.1 電源狀態(tài).103.2.2 時(shí)鐘電路.123.2.3 上電時(shí)序.133.2.4 電源管理芯片.153.2.5 充電管理.173.2.6 開關(guān)機(jī)電路.183.3 存儲器.193.3.1 DDR 內(nèi)存 .193.3.2 數(shù)據(jù)閃存.213.3.3 頻率、電壓與功耗.

6、243.3.4 MCP 存儲器.253.4 通用功能輸入輸出接口.263.4.1 多功能端口.263.4.2 中斷與喚醒.283.4.3 通用異步串行通信接口.303.4.4 多媒體存儲卡接口.323.4.5 同步串行外設(shè)接口.343.4.6 I2C 總線接口 .343.5 多媒體功能接口.36上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 目錄V3.5.1 顯示控制器.363.5.2 音頻控制器.373.5.3 攝像頭控制器.393.5.4 鍵盤控制器.403.6 傳感器與節(jié)電功能.413.7 燈光效果與功耗.413.8 本章小結(jié).41第四章第四章 無線接入模塊的應(yīng)用與設(shè)計(jì)無線接入模塊的應(yīng)用與設(shè)計(jì) .4343

7、4.1 移動(dòng)通訊模塊.434.2 藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)設(shè)備.454.3 無線廣播接收功能.474.4 本章小結(jié).47第五章第五章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 .49495.1 本文工作回顧.495.2 成果及意義.495.3 存在的問題及進(jìn)一步的工作.49參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn) .5050附錄附錄 1 1 處理器時(shí)鐘變換通路處理器時(shí)鐘變換通路.5252附錄附錄 2 2 處理器各部分電壓域的電源分配表處理器各部分電壓域的電源分配表.5353致致 謝謝 .5555作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文 .5656上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言1第一章第一章 引言引言1.1 背景及問

8、題的提出背景及問題的提出根據(jù) IDC 的一份報(bào)告，智能手機(jī)的出貨量目前正持續(xù)高速增長，2006 年第一季度的出貨量增長了 67.8，出貨量達(dá)到 1890 萬臺，去年同期為 1130 萬臺，比去年第四季度的 1740 萬臺增長了 7.5。而來自美國市場研究機(jī)構(gòu) In-StatMDR 的也預(yù)測，未來五年內(nèi)智能手機(jī)的銷貨量年增長率將超過 44%，特別是隨著全球 3G 市場的興起，可以看電視、下載音樂、視頻通話的智能手機(jī)將大行其道。作為 3C 融合到一個(gè)終端典范的智能手機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)通訊功能外，還可以實(shí)現(xiàn)很多計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品的功能，而且體積小，具有便攜性和多功能性的雙重優(yōu)勢，通過安裝應(yīng)用軟件后，能隨

9、時(shí)隨地的滿足不同消費(fèi)者的差異化需求，因而具有其他產(chǎn)品不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。IC 技術(shù)的進(jìn)步為智能手機(jī)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)提供了可能，為了縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期而存在先進(jìn) SOC 設(shè)計(jì)理念，65nm 乃至更窄線寬制程技術(shù)，BGA、CSP、MCP 和 SI 先進(jìn)封裝技術(shù)和理念都為智能手機(jī)的技術(shù)進(jìn)步、功能實(shí)現(xiàn)和性能提升提供了強(qiáng)有利的支撐。 3G 即將啟動(dòng)，帶寬的顯著提升，為智能手機(jī)的許多新功能流暢實(shí)現(xiàn)、性能提升提供了強(qiáng)有力的保證。如擁有 DMB（數(shù)字多媒體廣播）功能的智能手機(jī)在 2G 和2.5G 上很難實(shí)施，即使實(shí)施，效果也會差很多，畫面清晰度、播放流暢性都令人質(zhì)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言2疑，而這一

10、切在 3 G 網(wǎng)上都不是問題。智能手機(jī)正面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)會和便利，隨著消費(fèi)者認(rèn)知程度的提高和使用習(xí)慣的養(yǎng)成，智能手機(jī)在整個(gè)手機(jī)市場銷售份額將顯著提升，智能手機(jī) WDA 論壇某專家指出,未來 5 年內(nèi)，智能手機(jī)將會從目前的 6%左右提升到 20%以上，伴隨而來的將是智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的巨大商業(yè)機(jī)會。常見的智能手機(jī)平臺有 marvell 公司的 PXA270/PXA310, TI 公司的OMAP1510/1590, 三星的 S3C2440.另外高通也在 08 年初推出第一代 MSM7200 芯片用于實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)方案（單芯片方案,使智能手機(jī)外型能做的更薄更?。?，在此基礎(chǔ)上推出低成本智能手

11、機(jī)芯片組 MSM7227，是專為移動(dòng)寬帶（WCDMA）智能手機(jī)降至 200美元以下，讓更多用戶可以使用智能手機(jī)而設(shè)計(jì)。MSM7227 芯片組支持當(dāng)前最流行的包括 WindowsMobile 和 linux 操作系統(tǒng)，該芯片組通過以下多種硬件及軟件功能，拓展一系列諸如音視頻，voip 及游戲等新的服務(wù)。但是隨著功能的增多，在功耗和體積方面都面臨著全新的挑戰(zhàn)。目前市場上的智能手機(jī)一般不具有上面提到的全部功能。我們的主要目標(biāo)就是在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，做好功耗和體積的優(yōu)化。便攜式系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的性能、功耗、保護(hù)及 IC 尺寸等方面都提出了全新的要求。產(chǎn)品需要向處理器、存儲器、顯示器和其它部分提供不同的

12、工作電壓，以減少處理器消耗的電量，延長電池的運(yùn)行時(shí)間，并提高電池的供電效率。優(yōu)化便攜式系統(tǒng)的電池壽命對系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說是重大的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須理解每個(gè)元件的功耗、功率狀態(tài)和相關(guān)的時(shí)序問題，從而優(yōu)化系統(tǒng)功率。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能手機(jī)(Smartphone)，是指像個(gè)人電腦一樣，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，在滿足傳統(tǒng)語音通信的同時(shí)還具有 PDA 等大部分功能,可以由用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)商提供的程序，通過此類程序來不斷對手機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)充，并可以通過移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入并實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息管理以及基于無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)

13、據(jù)、語音和圖像服務(wù)的功能.智能手機(jī)硬件系統(tǒng)需要一個(gè)應(yīng)用處理器(AP),通過應(yīng)用處理器運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)并處理本地多媒體及個(gè)人數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等.故智能手機(jī)硬件系統(tǒng)一般都是 AP+modem BB 芯片組組成(俗稱”雙 CPU”解決方案),隨著芯片高度集成發(fā)展,將 AP 和 BB 集成在一個(gè)芯片上,有利于智能手機(jī)低成本控制和硬件設(shè)計(jì)簡化,據(jù)此智能手機(jī)硬件系統(tǒng)方案可分為 AP 方案和 CP 方案. AP 方案:在 Future phone 的基礎(chǔ)上,將其簡化成 Modem,然后增加一個(gè) AP,同時(shí)手機(jī)的輸入輸出設(shè)備全部由 AP 控制,從而組成類似的”雙 CPU”方案.這種方案簡潔靈活,AP 側(cè)所有受其控制

14、的外設(shè)可以通用化,通過切換不同 Modem 或 Modem 組合而實(shí)現(xiàn)不同通訊制式智能手機(jī)或雙模制式智能手機(jī).BB 實(shí)現(xiàn)基于無線通訊技術(shù)的語音和數(shù)據(jù)通訊功能，相當(dāng)于無線網(wǎng)卡。AP 專用于處理高負(fù)荷的多媒體應(yīng)用，二者之間的通信靠消息傳遞實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)可以靈活的應(yīng)用不用制式的無線通訊接入技術(shù)，而無需修改多媒體應(yīng)用部分的軟硬件設(shè)計(jì)。當(dāng)應(yīng)用處理器的性能不能滿足的需求而進(jìn)行升級時(shí)，在軟件方面的修改也僅僅包含了 BSP 等驅(qū)動(dòng)部分。有效消除了由新應(yīng)用的軟件缺陷引起基帶處理器失效的風(fēng)險(xiǎn)。占用較多處理器資源的多媒體功能應(yīng)用程序上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言4可以在應(yīng)用處理器上執(zhí)行，現(xiàn)有的大部分代碼和

15、電路只需稍加修改就可重復(fù)使用，因而開發(fā)者可以將精力集中于開發(fā)新的應(yīng)用程序，其應(yīng)用程序只需在應(yīng)用處理器上開發(fā)和調(diào)試。CP 方案：將 ARM7/ARM9，ARM9/ARM11，雙 DSP 集成在一個(gè)芯片上（4 芯合一） ，該方案集成度高，設(shè)計(jì)簡潔。該架構(gòu)既能擴(kuò)展應(yīng)用性能又能適應(yīng)通信技術(shù)的變化；將所有的處理和外設(shè)功能集成在單一芯片上，可以他降低手機(jī)的功耗，減少所需物料從而降低制造成本和硬件測試成本。就目前的技術(shù)情況看來，多處理器內(nèi)核系統(tǒng)架構(gòu)將成為日后發(fā)展的主流。因?yàn)樗哂懈叩募啥?，更低廉的價(jià)格,更有利于手持終端設(shè)備的小型化。智能終端類應(yīng)用服務(wù)器競爭非常激烈，目前主要有Marvell、Motoro

16、la、TI、AMD,而 QUALCOMM 的加入使競爭達(dá)到了白熱化.經(jīng)過多年的發(fā)展在技術(shù)層面上已經(jīng)基本統(tǒng)一到 ARM 系列。TI 是移動(dòng)通信終端領(lǐng)域事實(shí)上的霸主，Nokia 公司每年 80%的解決方案都來自TI。TI 的 OMAP 平臺提供了語音、數(shù)據(jù)和多媒體所需的帶寬和功能，可以極低的功耗為高端 3G 無線設(shè)備提供較高的性能。TI 的 OMAP 處理器支持當(dāng)前流行的多種操作系統(tǒng)，無需任何新的編程技能便可提供無縫訪問其高性能 DSP 算法的能力。龍珠（DragonBall）系列處理器是 Motorola 推廣的“Digital DNA”數(shù)字產(chǎn)品解決方案的核心，曾經(jīng)是世界上應(yīng)用最廣泛的 PDA

17、微處理器。它具有功耗小、成本低的優(yōu)勢，但其處理器構(gòu)架限制使得主頻和性能無法大幅度提高。為了提高處理器性能，適應(yīng) PDA 在多媒體應(yīng)用方面的需求，Motorola 也轉(zhuǎn)向了 ARM 架構(gòu)，推出了具有更高主頻的 i.MXL 系列處理器。Au1100 是 ALCHEMY 公司為 AMD 開發(fā)的首款嵌入式處理器，支持 MIPS32 指令集，上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言5運(yùn)行頻率為 333-500 MHz，依然保持了 ALCHEMY 產(chǎn)品功耗低的特點(diǎn)。在 400 MHz 頻率下，其功耗不超過 250 mW，工作在 500 MHz 的時(shí)候功耗為 500 mW。從整體來看，Au1100 確實(shí)是

18、目前一款比較出色的嵌入式處理器。Intel 是應(yīng)用處理器領(lǐng)域的新軍，依靠其在 PC 市場的強(qiáng)大影響力，強(qiáng)力進(jìn)入智能終端市場，利用其強(qiáng)大的芯片研發(fā)和制造實(shí)力，大力發(fā)展 Stack 技術(shù)，推出更高集成度芯片，并在處理器上堆疊 FLASH、DDR SDRAM 技術(shù)，同時(shí)大力發(fā)展 IPP 等MMX 指令以提高多媒體能力。在 Marvell 合并了 Intel 應(yīng)用處理器業(yè)務(wù)后，推出的Xscall 系列處理器已經(jīng)成為業(yè)界主流，是現(xiàn)今廠商采用最多的 CPU。Xscale 采用了ARM 最新的指令集，目前最高頻率達(dá)到 806 MHz。由于特殊的使用范圍，Intel 在Xscale 中整合了類似傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中南

19、北橋芯片的功能，并且提供了包括 MMC/SD/CF及 USB 控制等豐富的接口支持，是目前最好的整合處理器。以上幾款智能手機(jī)處理器，從性能、價(jià)格、功耗等各項(xiàng)指標(biāo)來看，各有所長，有些甚至是不相上下，但從目前的發(fā)展趨勢看，毋庸置疑 Intel Xscale 在未來幾年內(nèi)仍將占據(jù)智能手機(jī)處理器的主流。目前，智能手機(jī)的操作系統(tǒng)市場被 Symbian、Windows Mobile、Palm 以及Linux 四大操作系統(tǒng)瓜分，處于多足鼎立的狀態(tài)。它們的共同特點(diǎn)是開放性較好，便于第三方軟件的移植。 Windows Mobile 系列操作系統(tǒng)是在 Windows 操作系統(tǒng)上變化而來的。Windows Mobi

20、le 系列操作系統(tǒng)具有功能更強(qiáng)大，多數(shù)具備了音頻、視頻文件播放、上網(wǎng)沖浪、MSN 聊天、電子郵件收發(fā)等功能。支持該操作系統(tǒng)的智能手機(jī)多數(shù)都采用了 Intel嵌入式處理器，主頻比較高，處理能力強(qiáng)。另外，采用該操作系統(tǒng)的智能手機(jī)在其它硬件配置（如內(nèi)存、存儲卡容量等）上也比采用其它操作系統(tǒng)的智能手機(jī)要高出上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言6許多，因此性能比較強(qiáng)勁，操作起來速度較快。但是，此系列手機(jī)也有一些缺點(diǎn)，如因配置高、功能多而耗電量大、電池續(xù)航時(shí)間短、硬件成本高等。Symbian 操作系統(tǒng)提供了靈活的應(yīng)用界面框架，不但使開發(fā)者得以快速掌握必要的技術(shù)，同時(shí)還使手機(jī)制造商能夠推出不同界面的產(chǎn)

21、品。Symbian 系統(tǒng)手機(jī)可以采用多種應(yīng)用界面形式：通過鍵盤進(jìn)行輸入類手機(jī)，使用手寫筆進(jìn)行操作類手機(jī)，既有鍵盤又有觸摸屏的手機(jī)。不同的輸入方式和外觀設(shè)計(jì)會對各款手機(jī)的主要用途產(chǎn)生很大的影響。 Palm 手機(jī)操作系統(tǒng)一直遵循“Less is More”這一理念去設(shè)計(jì)，其與微軟所推出的操作系統(tǒng)要占有大量的系統(tǒng)資源和存儲容量不同，它本身所占內(nèi)存極小?；?Palm 操作系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序所占的空間也很小，通常只有幾十 KB，所以基于Palm 操作系統(tǒng)的掌上電腦雖然只有幾兆內(nèi)存卻可以運(yùn)行眾多的應(yīng)用程序，但其功能就沒那么多。最近 Palm 也似乎越來越傾向提供豐富的功能， “少就是多”的設(shè)計(jì)理念逐步削

22、弱。另外，對于中國用戶而言，它有一個(gè)不足之處，起初在中國銷售的產(chǎn)品要使用中文外掛平臺，有相當(dāng)部分依然是以英文界面為主，在一定程度上影響了基于 Palm 操作系統(tǒng)的產(chǎn)品在中國市場的大面積推廣。目前，基于 Palm 操作系統(tǒng)的手機(jī)有三星 SPH-i330、Handspring Treo 650 系列等。 Linux 手機(jī)操作系統(tǒng)與 Windows Mobile 系列操作系統(tǒng)一樣，Linux 手機(jī)操作系統(tǒng)由計(jì)算機(jī) Linux 操作系統(tǒng)變化而來。Linux 是一套免費(fèi)使用和自由傳播的操作系統(tǒng)，它支持 32 位和 64 位處理器，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，主要用于配備 Intel x86 系列CPU 的計(jì)算機(jī)，在

23、手機(jī)領(lǐng)域中，較具代表性的產(chǎn)品有摩托羅拉 A768。Linux 具有穩(wěn)定、可靠、安全等優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。在相關(guān)軟件的支持下，可實(shí)現(xiàn)WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail 等服務(wù)。Linux 源代碼開放，這一特點(diǎn)有利于獨(dú)立軟上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言7件開發(fā)商（ISV）開發(fā)出硬件利用效率高、功能更強(qiáng)大的應(yīng)用軟件；也方便行業(yè)用戶開發(fā)自己的安全、可控認(rèn)證系統(tǒng)。特別是當(dāng)智能手機(jī)大量用作行業(yè)應(yīng)用的移動(dòng)終端時(shí)，Linux 在手機(jī)操作系統(tǒng)市場中也異軍突起，成為一股不容忽視的力量。終端廠商已經(jīng)開始嘗試選擇多種操作系統(tǒng)，對于不同市場定位的智能手機(jī)產(chǎn)品，手機(jī)廠商所選擇的操作系統(tǒng)也有所

24、不同；雖然國內(nèi)操作系統(tǒng)只是剛剛起步，也只有少數(shù)的廠商嘗試采用國內(nèi)自己的操作系統(tǒng) HOPEN、DOEASY。但在國家政策的扶持傾斜下，未來國內(nèi)操作系統(tǒng)也將會有較大的發(fā)展空間。在市場穩(wěn)定快速增長的同時(shí)，中國智能手機(jī)市場將呈現(xiàn)五大發(fā)展趨勢：多媒體和移動(dòng)應(yīng)用需求的上升，將成為市場發(fā)展的主要?jiǎng)恿?；PDA 功能類和開放程度高的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，將是手機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢；產(chǎn)品持續(xù)大幅度降價(jià)和價(jià)格競爭趨于激烈，將是產(chǎn)品價(jià)格發(fā)展的趨勢；渠道形式多樣化和手機(jī)渠道仍占主流，將是產(chǎn)品渠道發(fā)展的主要趨勢；差異化售后服務(wù)和個(gè)性化增值服務(wù)，將成為產(chǎn)品服務(wù)發(fā)展的趨勢。1.3 研究的目標(biāo)及其主要的內(nèi)容研究的目標(biāo)及其主要的內(nèi)容PXA3

25、xx 系列的 PXA310 處理器最高工作頻率可達(dá) 624MHz，滿足多任務(wù)處理的需求，提供更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)頁瀏覽、文件處理等應(yīng)用處理能力。Intel 的 SpeedStep 技術(shù)可以通過軟件和硬件動(dòng)態(tài)調(diào)整工作電壓與工作頻率，有效提高電池在使用視頻、音頻播放功能以及其它各種應(yīng)用時(shí)的續(xù)航能力。采用 90nm 工藝，有效降低功耗和成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。PXA310 處理器在多媒體處理方面采用硬件加速，最高可以支持 VGA （640480） 的編解碼處理。同時(shí)支持 H.264、MPEG-4、H.263、MPEG-上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 引言82、和 Microsoft WMV9 等格式

26、。支持 3G 視頻同步編解碼技術(shù)。處理器安全模式提供了從客戶、制造商到提供商的多種安全保護(hù)功能。有效提高手機(jī)等產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)自我保護(hù)能力。處理器提供了豐富的硬件接口，可以滿足各種應(yīng)用的需求。支持多種 Flash 包括 Nand、Nor 和 VLIO 設(shè)備，采用 16 位 DDR 隨機(jī)存儲器最高頻率可達(dá)260MHz。內(nèi)部 64 位高速總線交換和多通道技術(shù)使得處理速度更快。26MHz 的MMC（MultiMedia Card）/ SD（Secure Digital Memory Card）接口 3 個(gè)、3.6Mbps的 UART（Universal Asynchronous Receiver/Tr

27、ansmitter）接口 3 個(gè)以及 26M 的SSP（Synchronous Serial Port）接口 4 個(gè)方便連接各種外部設(shè)備。專用 LCD 接口和攝像頭接口支持多種類型的 LCD 和 Camera 設(shè)備。多達(dá) 128 個(gè) GPIO （General Purpose Input Output）接口可靈活使用，滿足各種設(shè)備的控制需求。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 學(xué)術(shù)論文及其的作用9第二章第二章 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)的硬件架構(gòu)也在不斷的進(jìn)步。從傳統(tǒng)的單一內(nèi)核處理器系統(tǒng)架構(gòu)逐步發(fā)展到了多處理器內(nèi)核系統(tǒng)架構(gòu)，并且衍化為兩個(gè)不同的分支多核

28、單處理器系統(tǒng)架構(gòu)和多處理器系統(tǒng)架構(gòu)。其主要區(qū)別在于手機(jī)通訊協(xié)議的處理與多媒體等應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)的分工方式不同，前者通過處理器內(nèi)部不同的內(nèi)核來完成，后者通過不同的處理器來完成。2.1 傳統(tǒng)架構(gòu)傳統(tǒng)架構(gòu)單一內(nèi)核處理器系統(tǒng)架構(gòu)是使用單一的高性能內(nèi)核處理器，既處理通信協(xié)議又實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能的手機(jī)架構(gòu)模式。圖 2.1.1 單一內(nèi)核處理器的手機(jī)硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2.1.1 所示，單一內(nèi)核處理器的手機(jī)系統(tǒng)的特征在于基帶處理器及需要處理操作系統(tǒng)相關(guān)的人機(jī)交互以及根中應(yīng)用程序，又處理通信相關(guān)的信號處理以及各種通信協(xié)議的處理?；鶐幚砥鞒蔀榱苏麄€(gè)手機(jī)硬件系統(tǒng)核心器件。存儲器包括內(nèi)存和閃存，保證處理器程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲。

29、電源管理模塊提供系統(tǒng)所需要的不同電壓和開關(guān)控制。處理器連接了多媒體電路，實(shí)現(xiàn)了基本的人機(jī)交互功能。包括通話、音樂和視頻應(yīng)用中語音和音樂的輸入和輸出；用戶對于手機(jī)的操作所需要的鍵盤、觸摸屏等模塊；手機(jī)對于環(huán)境各種狀態(tài)的響應(yīng)所需要的不同傳感器。擴(kuò)展接口包括擴(kuò)展存儲設(shè)備如 T-Flash、用戶 ID 識別的 SIM 卡、USB 接口以及藍(lán)牙等短距離上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 學(xué)術(shù)論文及其的作用10無線接口。傳統(tǒng)的架構(gòu)主要受制于功耗方面的挑戰(zhàn)和所需軟件復(fù)雜性帶來的一系列問題。采用這種單一內(nèi)核芯片系統(tǒng)架構(gòu)的手機(jī)，若要增加新的通信功能或新應(yīng)用功能，需要升級基帶芯片以獲得更強(qiáng)的 CPU 能力，并在

30、基帶芯片上編寫和執(zhí)行新應(yīng)用程序1?；鶐Р糠值拇a要移植到新的芯片中，現(xiàn)有的功能需要重新驗(yàn)證。此外，對這種單芯片架構(gòu)來說，程序代碼的規(guī)模將非常大而且很復(fù)雜。若升級到一個(gè)更高性能的內(nèi)核意味著必須重新編寫和測試代碼，從而使開發(fā)過程大大延長，增加開發(fā)成本。軟件是手機(jī)開發(fā)主要的耗時(shí)因素，軟件開發(fā)和測試對手機(jī)供應(yīng)商來說是個(gè)關(guān)鍵問題。使盡可能多的代碼得到復(fù)用，定制和修改工作對系統(tǒng)其它部分的影響要盡可能的少，這兩點(diǎn)至關(guān)重要。2.2 多核單處理器架構(gòu)多核單處理器架構(gòu)多核單處理器系統(tǒng)架構(gòu)從形式上看其硬件架構(gòu)組成以傳統(tǒng)架構(gòu)沒有區(qū)別。最主要的不同就在于多個(gè)不同處理器內(nèi)核的手機(jī)架構(gòu)一般是將兩個(gè)不同的處理器內(nèi)核集成在單一

31、芯片上，一個(gè)主要用來處理通信功能，另一個(gè)主要用來處理多媒體應(yīng)用。該架構(gòu)既能擴(kuò)展應(yīng)用性能又能適應(yīng)通信技術(shù)的變化；將所有的處理和外設(shè)功能集成在單一芯片上，不僅可以降低手機(jī)的功耗，減少所需物料從而降低制造成本和硬件測試成本。一般而言的雙核處理器都是簡單地將兩個(gè)物理內(nèi)核疊加在一起，這必然帶來晶體管數(shù)量的大幅度增加，造成的直接后果就是由泄漏電流引起的功耗大幅度增加，就算是采用了節(jié)能技術(shù)其發(fā)熱量也居高不下，從而導(dǎo)致雙核心處理器相對于單核心處理器而言頻率提升更加困難。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 學(xué)術(shù)論文及其的作用11而且由于目前的制造工藝的限制，雙核處理器的良品率要比單核心處理器的低，這必然會帶來

32、成本的居高不下，所以目前的雙核心處理器的價(jià)格都太貴了，距離普及還差得很遠(yuǎn)。當(dāng)然，隨著處理器核心架構(gòu)和制造技術(shù)的發(fā)展，今后必然會解決目前所遇到的問題此外，隨著第二核心的出現(xiàn)，對內(nèi)存與 I/O 帶寬的資源將會出現(xiàn)爭奪，如何解決好這個(gè)問題是雙核處理器的性能的關(guān)鍵問題之一。但是，不論控制器如何的優(yōu)化都無法達(dá)到，兩個(gè)獨(dú)立的處理器所能產(chǎn)生的效率。2.3 多媒體處理器多媒體處理器+調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)基帶處理器+應(yīng)用處理器的系統(tǒng)架構(gòu)是將基帶處理器工作和應(yīng)用處理器工作分開。基帶處理器實(shí)現(xiàn)基于無線通訊技術(shù)的語音和數(shù)據(jù)通訊功能，相當(dāng)于無線網(wǎng)卡。應(yīng)用處理器專用于處理高負(fù)荷的多媒體應(yīng)用，二者之間的通信靠消息傳

33、遞實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)可以靈活的應(yīng)用不同制式的無線通訊接入技術(shù)，而無需修改多媒體應(yīng)用部分的軟硬件設(shè)計(jì)。當(dāng)應(yīng)用處理器的性能不能滿足的需求而進(jìn)行升級時(shí)，在軟件方面的修改也僅僅包含了 BSP 等驅(qū)動(dòng)部分。有效消除了由新應(yīng)用的軟件缺陷引起基帶處理器失效的風(fēng)險(xiǎn)。占用較多 CPU 資源的多媒體功能應(yīng)用程序可以在應(yīng)用處理器上執(zhí)行，現(xiàn)有的大部分代碼和電路只需稍加修改就可重復(fù)使用，因而開發(fā)者可以將精力集中于開發(fā)新的應(yīng)用程序，其應(yīng)用程序只需在應(yīng)用處理器上開發(fā)和調(diào)試。圖 2.3.1 多媒體處理器+調(diào)制解調(diào)器架構(gòu)框圖上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 學(xué)術(shù)論文及其的作用122.4 本章小結(jié)本章小結(jié)就目前的技術(shù)情況看來，基帶

34、處理器+應(yīng)用處理器的系統(tǒng)架構(gòu)和多內(nèi)核處理器系統(tǒng)架構(gòu)各有優(yōu)勢。前者對于上游技術(shù)開發(fā)的依賴性較小，在整個(gè)研發(fā)過程中更靈活，軟硬件研發(fā)成本更低；后者具有更高的集成度，更有利于手持終端設(shè)備的小型化。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作13第三章第三章 應(yīng)用處理器及周圍電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用處理器及周圍電路的設(shè)計(jì)PXA3XX 系列處理器是專門為手持設(shè)備、GPS 定位系統(tǒng)和其他消費(fèi)類電子設(shè)備而設(shè)計(jì)的。在手機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用 PXA310 可以實(shí)現(xiàn)高性能和低功耗的優(yōu)化組合方案。Marvell 提供了“SpeedStep”專利技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)核電壓，提高電池的利用效率和延長電池的使用時(shí)間。同時(shí)處理器能

35、在 208MHz 到 624MHz 之間自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場合處理能力的調(diào)整，可以最大程度的減少功耗。3.1 處理器的內(nèi)部資源處理器的內(nèi)部資源處理器通過兩組 64 位內(nèi)部高速數(shù)據(jù)總線，連接了各功能模塊。如圖 3.1.1 所示：圖 3.1.1 PXA3XX 處理器的內(nèi)部架構(gòu)處理器內(nèi)核通過存儲器開關(guān)陣列連接系統(tǒng)總線和各存儲器設(shè)備包括ROM、SRAM、SDRAM 和 FLASH。系統(tǒng)總線共有兩條，系統(tǒng)總線 1 連接閃存控制器、攝像頭控制器、LCD 控制器，系統(tǒng)總線 2 連接 2D 圖像處理器、視頻硬件加速器，USB2.0控制器。外設(shè)總線也有兩條，通過 DMA 控制其和總線開關(guān)與系統(tǒng)總線互聯(lián)。外設(shè)

36、總線 1 連接 GPIO 控制器、2 個(gè) MMC 控制器、USIM-1、AC97 接口、標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口，外設(shè)總線 2 連接 USIM-2、1 個(gè) MMC 等其它外部設(shè)備。此外還有時(shí)鐘和電源管理等相對獨(dú)立的模塊通過專用線路連接到各部分電路。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作143.2 電源與時(shí)鐘電源與時(shí)鐘PXA310 多媒體處理器內(nèi)部的時(shí)鐘和電源管理單元主要分為服務(wù)單元和應(yīng)用子系統(tǒng)單元。服務(wù)單元中的時(shí)鐘控制單元（SCCU）和電源管理單元（SPMU）協(xié)同應(yīng)用子系統(tǒng)單元中的時(shí)鐘控制單元（ACCU）和電源管理單元（APMU） ，實(shí)現(xiàn)不同工作模式下的時(shí)鐘和電壓域的轉(zhuǎn)換，來管理整個(gè)處

37、理器的功耗。通過電源管理程序保證處理器在各種工作狀態(tài)下都能在處于最優(yōu)的處理速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小的電源功耗。3.2.1 電源狀態(tài)電源狀態(tài)處理器定義了多種電源狀態(tài)，不同的電源狀態(tài)對硬不同的工作狀態(tài)，保證了在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境下，處理器都處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，即保證滿足當(dāng)前工作需要的處理速度又保證最小的功率消耗。處理器的電源狀態(tài)主要由服務(wù)單元（S 狀態(tài)） 、應(yīng)用子系統(tǒng)（D 狀態(tài)）和內(nèi)核（C 狀態(tài)）決定。每一種電源狀態(tài)對應(yīng)了不同的工作時(shí)鐘和電壓域，不同的 S/D/C的狀態(tài)組合都對應(yīng)一種電源狀態(tài)。S 狀態(tài)有 4 種：S0 表示正常運(yùn)行狀態(tài)，所有內(nèi)部和外部電源上電，內(nèi)部時(shí)鐘可以運(yùn)行；S2 表示應(yīng)用子系統(tǒng)的部分大電

38、壓域包括內(nèi)核電壓可以關(guān)斷，所有的時(shí)鐘停止工作，其中 SPMU、APMU 和 RTC 除外；S3 表示所有內(nèi)部電源關(guān)閉，所有時(shí)鐘停止工作，其中 RTC、SPMU 和 32KHz 晶體除外；S4 表示處理器斷電，沒有備用電池電壓，所有時(shí)鐘和電壓關(guān)閉。D 狀態(tài)有 5 種：D0 表示正常運(yùn)行狀態(tài)；D1 表示處理器內(nèi)部除 SRAM 和 LCD 控制器以外，所有外部設(shè)備的控制器都處于非活動(dòng)狀態(tài)，相關(guān)時(shí)鐘停止工作；D2 表示內(nèi)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作15核、外部設(shè)備和 LCD 處于狀態(tài)保持的休眠，SRAM 可保持狀態(tài)或者關(guān)閉，除 APMU 外所有時(shí)鐘關(guān)閉，電壓保持不變；D3 表示

39、 SRAM 可選，內(nèi)核與外設(shè)關(guān)閉，BPMU 運(yùn)行其余電壓關(guān)閉，32KHz 時(shí)鐘和 APMU 運(yùn)行其余時(shí)鐘關(guān)閉；D4 表示完全關(guān)閉狀態(tài)。C 狀態(tài)有 4 種：C0 表示內(nèi)核上電；C1 表示內(nèi)核時(shí)鐘關(guān)閉；C2 表示內(nèi)核電源關(guān)閉，于狀態(tài)維持模式；C4 表示內(nèi)核電源關(guān)閉，狀態(tài)不保持。圖 3.2.1 給出了不同電源狀態(tài)組合之間的變化過程，標(biāo)明了進(jìn)入和退出各種電源狀態(tài)所需操作的寄存器和喚醒源。圖 3.2.1 電源狀態(tài)運(yùn)行模式（S0/D0/C0）：處理器處于完全運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，處理器內(nèi)核可以在 104MHz 到 624MHz 之間以不同的主頻速度運(yùn)行。動(dòng)態(tài)的頻率控制可以使其在不影響運(yùn)行效率的情況

40、下改變工作頻率至最優(yōu)。任何電源狀態(tài)都可以直接進(jìn)入運(yùn)行模式。內(nèi)核空閑模式（S0/D0/C1）：處理器通過關(guān)閉內(nèi)核時(shí)鐘和保持內(nèi)核狀態(tài)數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)電，此時(shí)其他部分可以正常運(yùn)行。顯示刷新模式（S0/D1/C2）：介于空閑模式與待機(jī)模式之間。區(qū)別在于相比待機(jī)模式 LCD 有圖像顯示，且保持當(dāng)前畫面數(shù)據(jù)的刷新。內(nèi)核與其它外圍模塊處于非工作狀態(tài)，但保持各種狀態(tài)參數(shù)，可以快速恢復(fù)運(yùn)行。待機(jī)模式（S0/D2/C2）：內(nèi)核與外圍模塊處于非工作狀態(tài)，但保持各種狀態(tài)參數(shù)，可以快速恢復(fù)運(yùn)行，LCD 關(guān)閉以減少功耗，SRAM 狀態(tài)根據(jù)需要可選擇是否保持。睡眠模式（S2/D3/C4）：內(nèi)核與個(gè)部分設(shè)備模塊斷電，I/O

41、接口保持電源與狀上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作16態(tài)，保證與外圍電路的互聯(lián)不會出現(xiàn)異常情況。SRAM 狀態(tài)根據(jù)需要可選擇是否保持。除系統(tǒng)時(shí)鐘與應(yīng)用電源管理單元外，所有的時(shí)鐘完全關(guān)閉。處理器可通過預(yù)設(shè)的各睡眠喚醒事件重新進(jìn)入運(yùn)行模式。關(guān)機(jī)模式（S3/D4/C4）：除備用電池電源外所有電源關(guān)閉，除 32KHz 以外所有時(shí)鐘關(guān)閉。此時(shí)處理器可以通過外部喚醒端口 WAKEUP0 或復(fù)位端口 RESET 再次進(jìn)入運(yùn)行模式。掉電模式（S4/D4/C4）：說明系統(tǒng)沒有電源供應(yīng)，包括主電池和備用電池都不在位或電壓低于硬件啟動(dòng)需要。當(dāng)后備電池產(chǎn)生上升沿并且達(dá)到閾值后，處理器便進(jìn)入啟動(dòng)流程，

42、即開始正常的上電時(shí)序。3.2.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路處理器的通過兩個(gè)時(shí)鐘協(xié)同工作，以達(dá)到節(jié)電的效果。慢時(shí)鐘使用 32KHz 頻率的晶體，提供處理器睡眠狀態(tài)下的時(shí)鐘需求?？鞎r(shí)鐘使用 13MHz 頻率的晶體，通過內(nèi)部的時(shí)鐘變換電路，提供各部分設(shè)備運(yùn)行所需的不同時(shí)鐘頻率。各部分時(shí)鐘頻率以及變換詳情可以參考附錄：處理器時(shí)鐘變換通路。每一路時(shí)鐘有 3 個(gè)外部接口 Pin 腳，PXTAL_IN、PXTAL_OUT 提供 13MHz 晶體起振，TXTAL_IN、TXTAL_OUT 對應(yīng) 32KHz 晶體，同時(shí)提供 13MHz 時(shí)鐘和 32KHz 時(shí)鐘輸出，一共六個(gè) Pin 腳。圖 3.2.2 13MHz 晶體

43、諧振電路本課題所研究的智能手機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路如圖 3.2.2 和圖 3.2.3 所示。13MHz時(shí)鐘采用頻率穩(wěn)定度 +/-10ppm 的貼片晶體諧振器，跨接 10Mohm 的負(fù)載電阻，預(yù)留上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作17兩個(gè)旁路電容。處理器內(nèi)部的 RTC 電路由于生產(chǎn)工藝的原因存在缺陷，即當(dāng)后備電池電壓小于 2.0V 以下時(shí)，必須使后備電源管腳放電到 0V 之后，再升壓到后備電池標(biāo)稱的 3.0V，RTC 電路才能重新正常起振，因此使用 32KHz 晶體提供睡眠時(shí)鐘時(shí)，存在手機(jī)時(shí)間發(fā)生異常的風(fēng)險(xiǎn)，且不可恢復(fù)。為了解決這個(gè)缺陷，設(shè)計(jì)可以采取兩種方案，一種是 32KHz 時(shí)鐘

44、采用外部 RTC 時(shí)鐘 IC。另一種是采用 32KHz 晶體，同時(shí)增加二極管放電電路。通過實(shí)際的比較發(fā)現(xiàn)增加放電電路相較于外部時(shí)鐘的方案需要更多的布局面積。圖 3.2.3 32KHz 外部 RTC 時(shí)鐘電路這里選用的時(shí)鐘芯片為 S-35392A，外接 32KHz 晶體，處理器通過 I2C 接口進(jìn)行控制、設(shè)定和讀取時(shí)鐘信息，電路通過時(shí)鐘輸出與處理器的 TXTAL_IN 相連，提供1.1V 的偏置電壓以滿足 TXTAL_IN 的輸入偏置要求。后備電池對時(shí)鐘芯片直接供電通過肖特基二極管與處理器備用電源管腳相連，在提供后備電池充電功能的同時(shí)阻斷了后備電池對于處理器的影響。時(shí)鐘電路提供了一路中斷信號以支

45、持處理器的定時(shí)喚醒功能（關(guān)機(jī)狀態(tài)下的鬧鐘功能） 。3.2.3 上電時(shí)序上電時(shí)序處理器的外部電源接口主要包括是通訊接口、復(fù)位與使能部分和電源輸入部分。通訊接口采用 I2C 總線方式。處理器內(nèi)部共有兩路 I2C 控制器，一路為電源 I2C 接口，專用于電源管理通訊使用，另一路為普通 I2C 接口，用于其他 I2C 接口設(shè)備的通訊。系統(tǒng)復(fù)位 nRESET 屬于硬件復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位由低變高之后，處理器無條件的進(jìn)入復(fù)位流程。GPIO 復(fù)位屬于軟復(fù)位，除關(guān)機(jī)和掉電模式以外，都會引發(fā)處理器的上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作18復(fù)位。與系統(tǒng)復(fù)位的差別在于不會產(chǎn)生新的上電時(shí)序而只是重置代碼使

46、應(yīng)用程序重新有起始地址開始運(yùn)行。復(fù)位輸出信號發(fā)正在系統(tǒng)使能之后，以提供外圍電路或芯片與處理器同步復(fù)位。電池在位檢測信號用于檢測主電池的工作狀況，以保證整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)處于正常狀態(tài)。電源使能（PWR_EN）和系統(tǒng)使能（SYS_EN）都是對外部電源的控制信號，由于處理器的上電時(shí)序的需要，電源使能和系統(tǒng)使能先后給出，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電源接口主要包括以下這些電源域：后備電源 BBAT、時(shí)鐘電源（環(huán)路振蕩器 MVT、帶通濾波器 BG、相同步邏輯 PLL 和晶體振蕩器 OSC13M） 、處理器內(nèi)核 APPS、靜態(tài)存儲器 SRAM、外部存儲器 MEM、外部閃存 DF、顯示屏 LCD、設(shè)備接口 IO1/I

47、O3/MSL、CARD1、CARD2、USB、并行 USB 設(shè)備接口 ULPI 和照像設(shè)備CI。圖 3.2.4 處理器的上電時(shí)序處理器的上電時(shí)序如圖 3.2.4 所示。首先后備電源 BBAT 必須總是保持高電平，這路電源維持處理器內(nèi)部常開電路的運(yùn)行，包括 RTC 電路、電源時(shí)鐘服務(wù)單元和內(nèi)部 DCDC 電路。然后復(fù)位信號產(chǎn)生上升沿并保持高電平，處理器進(jìn)行復(fù)位開始上電流程。上電的過程中處理器先檢測電池在位信號是否為高電平，這表示電池電源可以正常供電。在使用電源管理芯片為各電源域供電的情況下，該信號由電源管理芯片產(chǎn)生，表明可以正常供電。然后處理器給出第一個(gè)使能信號，打開時(shí)鐘相關(guān)的電源、IO 接口和

48、外部存儲器電源。這里處理器的時(shí)鐘電路必須先于其他部分開始運(yùn)行，以保證在其他模塊啟動(dòng)以后時(shí)鐘信號可以達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。因此時(shí)鐘電路的上電須早于其他各路電源。第二個(gè)使能信號打開處理器內(nèi)核電源和靜態(tài)存儲器電源，上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作19同時(shí)通過 I2C 接口對各路電源的電平值進(jìn)行配置來滿足設(shè)計(jì)所需要的狀態(tài)。電源使能之后系統(tǒng)使能之前，處理器會發(fā)出外部復(fù)位信號，對相關(guān)外圍電路進(jìn)行復(fù)位。3.2.4 電源管理芯片電源管理芯片電源管理芯片選用 MAX8660，芯片有 4 路 DC-DC 輸出、3 路 LDO 輸出和 1 路常開的 3.3V LDO 電源輸出。其中兩路動(dòng)態(tài)可調(diào)

49、的 DC-DC 提供處理器內(nèi)核與內(nèi)部靜態(tài)存儲器，另兩路 DC-DC 提供 IO 接口、外部存儲器和其他外部設(shè)備。所有的 DC-DC 輸出都采用 2MHz 的 PWM 開關(guān)，和少量的外圍器件。芯片能夠自動(dòng)切換 PWM 模式和高效輕負(fù)載模式，有效減少工作電流，延長待機(jī)時(shí)間。在 PWM 模式下，芯片支持所有負(fù)載情況下的低噪聲工作。除電源轉(zhuǎn)換功能外，芯片還提供了 I2C 接口可軟件控制各路電源輸出的電平以及開關(guān)狀態(tài)、電池電壓的低電檢測功能以及復(fù)位信號輸出功能。當(dāng)電池電壓輸入超過 7.5V 時(shí)，芯片進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，自動(dòng)切斷電池供電，以保護(hù)系統(tǒng)不會損壞。DCDC 開關(guān)電源降壓電路相較于線性 LDO 電源，具

50、有更高的效率，可以做到更大的電流。在目前單板設(shè)計(jì)中有很廣范的應(yīng)用。電源管理芯片的電源輸出總共有 8 路，其中 V1 到 V4 為 DCDC，V5 到 V6 為LDO。而處理器的電源域有十多種，如果需要一對一進(jìn)行供電，顯然是不可行的。因此這里的設(shè)計(jì)，需要考慮處理器各部分電壓的上電時(shí)序、相互關(guān)系以及工作電平等方面的因素，進(jìn)行合理的分配。V1 的默認(rèn)輸出電壓值為 3.0V，另有 3.3V 和 2.85V 兩檔可選的輸出。系統(tǒng)使用默認(rèn)輸出 3.0V。V1 的驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到 1200mA 電流，主要用于大部分外圍設(shè)備和與之相對應(yīng)的借口電壓匹配供電。V2 采用 1.8V 電壓輸出，驅(qū)動(dòng)能力為 900mA

51、。效率上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作20與 V1 擁有相同的 96%最高電源轉(zhuǎn)換效率。設(shè)計(jì)中主要用于外部存儲器的供電，包括內(nèi)存 DR 和硬盤 Flash。V3 和 V4 是兩路精度為 25mV 的可調(diào)的 DCDC 電源轉(zhuǎn)換輸出（0.725V 到 1.8V，默認(rèn)輸出 1.4V） ，用于處理器的內(nèi)核與內(nèi)部靜態(tài)存儲器。配合處理器的不同的工作狀態(tài)，可以方便的調(diào)節(jié)供電電壓，使得電源在內(nèi)夠滿足處理器相關(guān)內(nèi)部電路工作需要所需的電壓的情況下，提供較低的電平值，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。V5 為 1.7V 到 2.0V 可調(diào)輸出，默認(rèn) 1.8V，是電源關(guān)系芯片上電延時(shí)最短的電源輸出，即在同時(shí)給

52、出硬件上電使能信號的情況下 V5 比其它 6 路（V8 為常開狀態(tài)）更早達(dá)到穩(wěn)定電平。從前面的上電時(shí)序的要求來看，V5 適用于內(nèi)部時(shí)鐘相關(guān)的處理器電路，包括環(huán)路振蕩器 MVT、帶通濾波器 BG、相同步邏輯 PLL 和晶體振蕩器OSC13M。V6 和 V7 為 1.8V 到 3.3V 可調(diào)輸出，精度 0.1V，驅(qū)動(dòng)能力 500mA。手機(jī)中使用的芯片主要有 1.8V 和 3.0V 兩種電平。這里采用 V6 提供 3.0V 電壓，V7 提供 1.8V電壓。對比 V1 的 3.0V 和 V2 的 1.8V 電源，V67 的 LDO 輸出的電源噪聲明顯更少，因此這兩路電源主要提供相關(guān)的模擬信號處理，如音

53、頻處理芯片的模擬電路、各種傳感器、以及攝像頭等。數(shù)字電路的供電由 V1 和 V2 提供。V8 為常開的 LDO 輸出，電平為 3.3V 不可調(diào)。V8 作為處理器的后備電源供電，當(dāng)電池電量低于 3.0V 后，處理器不能正常工作。V8 的電源輸出保證了手機(jī)的時(shí)間信息不會丟失，同時(shí)上電時(shí)序的相關(guān)控制電路可以正常工作，當(dāng)電池電壓達(dá)到開機(jī)電平以上時(shí)可以進(jìn)入正常的開機(jī)流程。各部分電路具體的分配與耗電關(guān)系見附錄 2 處理器各部分電壓域的電源分配表。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作21處理器提供了 2 路使能信號，同時(shí)電源管理芯片有八路可以分別硬件使能控制的地電源輸出。根據(jù)處理器上電時(shí)序的

54、要求，將系統(tǒng)使能（SYS_EN）控制V1、V2、V5；電源使能（PWR_EN）控制 V3 和 V4；V6 和 V7 通過 I2C 接口設(shè)定輸出電平和開關(guān)狀態(tài)。周圍電路的具體的參數(shù)可參考圖 3.2.5 電源管理芯片的設(shè)計(jì)。圖 3.2.5 電源管理芯片的電路設(shè)計(jì)手機(jī)是通過電池供電的電子通訊設(shè)備，電池儲存的能量是有限的。隨著電量的消耗電池輸出的電平會持續(xù)下降，而手機(jī)內(nèi)部電路的工作需要一定的電平的支持。因此電池電壓的狀態(tài)是手機(jī)應(yīng)用尤其需要關(guān)注的方面，而且需要在硬件設(shè)計(jì)中就提供必要的支持。MAX8660 提供了一個(gè)電壓比較器，其輸出 LBO 提供處理器的電池電壓在位判斷。通過外圍電路的配置可以設(shè)定不同的

55、電平閾值。具體的設(shè)計(jì)可以參考圖 3.2.5 中R301R303 的設(shè)計(jì)，這里的高電平閾值為 3.3V 低電平閾值為 3.1V，即當(dāng)電池電壓高于 3.3V 之后電源管理芯片給出電池電壓正常指示，當(dāng)電池電壓低于 3.1V 之后給出電池電壓異常指示，當(dāng)電池電壓再次高于 3.3V 后恢復(fù)電池電壓正常指示。圖 3.2.5 電池電壓檢測的比較器R301R303 的配置關(guān)系滿足公式 3.2.1 和公式 3.2.2，其中 R3 取值必須在100K 歐姆到 1M 歐姆之間，VLBOR為 R2 與 R3 之間的電平值，VLBOF為 R1 與 R2 之間的電平制，如圖 3.1.5 電池電壓檢測的比較器所示VLBRT

56、H 為 1.250V，VLBFTH為 1.200V。例如 R1 = 1.8M、R2 = 80K、R3 = 1M 時(shí)，VLBOR = 3.6V，VLBOF = 3.2V。公式 3.2.2上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作22公式 .5 充電管理充電管理系統(tǒng)充電采用 BQ24061，它可以實(shí)現(xiàn)電池的預(yù)充（涓流） 、快充（恒壓/恒流） 、脈沖充電等過程，通過狀態(tài)信號 ST1 和 ST2 指示充電過程的狀態(tài)變化，可以連接并驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。多媒體處理器通過 GPIO 連接 ST1 和 ST2 檢測充電狀態(tài)。BQ24061最大充電電流達(dá) 1A，有充電器插入指示，充電使能控

57、制和過充、過熱保護(hù)功能。目前通用的充電器主要有兩種供電模式，一種是 PC 的 USB 供電，有適應(yīng)性充電 50mA和快速充電 500mA 兩種狀態(tài)，但都不超過 500mA；另一種是充電器供電，供電能力取決于選購得充電器型號，供電能力一般在 700mA 以上。因此需要增加三極管選通電路，來實(shí)現(xiàn)充電限流的選擇。3.2.6 開關(guān)機(jī)電路開關(guān)機(jī)電路系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)相當(dāng)于多媒體處理器的電源供給和切斷的轉(zhuǎn)換。而電源管理模塊Max8660 沒有提供相關(guān)功能。因此需要通過多媒體處理器 PXA310 提供的開關(guān)機(jī)接口EXT_WAKEUP 進(jìn)行識別，然后通過 PWR_EN、SYS_EN 信號來實(shí)現(xiàn)。由于 PXA310

58、開關(guān)機(jī)接口只有 1 路，同時(shí)手機(jī)需要在關(guān)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行開機(jī)（喚醒）的操作一共有 3 種插充電器、鬧鐘和開機(jī)鍵，因此需要設(shè)計(jì)邏輯電路共享喚醒源，同時(shí)提供喚醒源的識別功能。采用邏輯器件的級聯(lián)加 Gpio 狀態(tài)檢測方式。在多媒體處理器被喚醒后，檢測依次 I2C 的 RTC 狀態(tài)、充電器插入指示（接 Gpio）和喚醒源狀態(tài)，來判斷喚醒原因是鬧鐘、插充電器或開機(jī)鍵，同時(shí)可判斷開機(jī)鍵按下的時(shí)間長短。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 學(xué)位論文的寫作233.3 存儲器存儲器多媒體應(yīng)用處理器 PXA310 的運(yùn)行需要依靠存儲設(shè)備，處理器內(nèi)部提供了 256K字節(jié)的靜態(tài)存儲空間。PXA320 更有 256K 字節(jié)

59、的二級高速緩存，但 PXA310 沒有。內(nèi)部存儲器保證了處理器可開始正常的運(yùn)行，外部存儲空間保證了處理器可以運(yùn)行各種復(fù)雜的程序。處理器提供的外部接口包括 16 位的數(shù)據(jù)閃存總線接口 DFI 和 16 位的 DDR 總線接口。3.3.1 DDRDDR 內(nèi)存內(nèi)存內(nèi)存一般采用半導(dǎo)體存儲單元，包括隨機(jī)存儲器（RAM） ，只讀存儲器（ROM） ，以及高速緩存（CACHE） 。RAM 是其中最重要的存儲器。同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器 SDRAM 將 CPU 與 RAM 通過一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起，使 CPU 和 RAM 能夠共享一個(gè)時(shí)鐘周期，以相同的速度同步工作，每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿便開始傳遞數(shù)據(jù)。DDR-

60、SDRAM 是 SDRAM 的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它允許在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以在相同的總線頻率下達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。手持終端設(shè)備使用的內(nèi)存已從 SDRAM 逐步轉(zhuǎn)向 DDR，特別是高端手機(jī)的設(shè)計(jì)中，DDR 的應(yīng)用已經(jīng)完全取代了原來的 SDRAM 設(shè)備。處理器提供了 EMPI 接口，適用于 SDRAM 以及 DDR 設(shè)備。DDR 接口主要包括以下信號：1、數(shù)據(jù)線 16 位或 8 位，可根據(jù)應(yīng)用的不用設(shè)備進(jìn)行選擇。2、地址線共 13 位 A0-A15，其中 A10 為自動(dòng) PRECHARGE 標(biāo)志；A14 與 A15 作為塊選擇信號 BA0 和 BA1，上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位