低功耗手持多媒体终端硬件平台的研究

手机、PDA等手持设备对图像、音频处理能力的要求日益提高，同时要求设备的体积、重量越来越小。这些设备一般靠单节可充电锂电池作为电源。因而提高处理能力，降低系统功耗以延长电池工作时间是手持设备的重要研究课题[1]。

参考文献[1]讨论了低功耗的系统设计技术，特别强调减小电容，缩减不必要的开关行为，降低电压和频率。外部器件间的连接通常比片上连接电容更大，实验证明10%～40％的能量消耗在总线多工器驱动器上。应减少输出，尽量使用片上资源。单纯降低频率并不能降低功耗，因为完成同样的任务需要更长的时间。降低电压会导致性能降低，通过增加并行器件来弥补。选择低电压的CMOS 芯片，芯片内各个功能模块应能分别进行低功耗的管理。CMOS 器件的功耗主要分两类：静态功耗和动态功耗。动态功耗依赖于工作频率，静态功耗与工作频率无关。偏置电流（Pb）和泄漏电流(Pl)引起静态功耗，短路电流(Psc)和动态功耗（Pd)是由电路的开关行为引起的。器件总功耗P可以表示成：

P=Pd+Psc+Pb+Pl
Pd=Ceff V2 f
Ceff＝α C

上式中，V和 f分别是器件工作电压和频率，Ceff 是等效的开关电容，C是充放电电容，α是活跃性加权因子，表示电路状态发生改变的概率。CMOS 器件功耗的85～90％是动态功耗，而动态功耗与工作电压的平方成正比。因此选择低电压器件能极大地降低功耗。

1 主处理器选择

目前在手持设备中，主要运用ARM 处理器。ARM 处理器的优点是价格低、功耗小，特别适合各种控制功能[2]。ARM 芯片采用冯·诺依曼结构, 指令、数据地址存储统一编址，使用单一的32位数据总线传送指令和数据。 这种体系结构使ARM 控制功能较强, 媒体处理速度较慢，适合人机接口和通信协议。为了提高媒体处理能力，INTEL在PXA250 Xscale 芯片上增加了协处理器，用来进行乘累加。TI的OMAP1510芯片内部集成了一个ARM925核及一个C55X核。ARM工作频率高达175MHz。C55X 采用哈佛结构，具有程序总线、三条读数据总线和二条写数据总线。C55X具有两个硬件乘累加单元、两个ALU，还有用于DCT/IDCT、运动估计、1/2像素内插的硬件加速器。工作电压1.6V,频率高达200MHz。C55x指令集从8～48比特，改善了代码密度，减少了存储器访问次数。

2 最小单片机系统（存储器）

目前存储器主要有：SRAM、SDRAM、FRAM、EEPROM、FLASH。由于平台常存储大量数据，如操作系统应用程序，可以选择FLASH，如INTEL 28F128L18[3]。 28F128L18初始访问时间是85ns，异步页模式为25ns，同步突发为54MHz，能在读周期完成后自动进入功率节省模式，片选无效或复位有效时进入standby模式，电流大约50μA，异步读电流大约18mA。为了加快应用程序的执行，配置SDRAM或者SRAM。由于SDRAM 比SRAM 容量大、价格便宜，选用SDRAM用于数据存储。由于系统在运行时，大功耗元件除LCD背景光外，就是SDRAM。而多媒体需要大量数据读写，因此选用低电压、温度补偿和部分阵列刷新的Mobile SDRAM产品对降低功耗十分重要。如SAMSUNG K4M28163PD-RS1L，自动刷新电流85mA，4 bank激活突发模式为50mA，可使能SDRAM自动预充。这样在每次突发读写后，该bank 进入空闲状态，电流可降到5.5mA。OMAP1510对K4M28163PD-RS1L进行控制时，应置K4S56163-RR75为全页突发，以减小访问时间，降低功耗。系统常有一些数据量不大的数据需要保存，可采用铁电存储器，如声音的音量、LCD的亮度。这些参数如果保存到FLASH或者EEPROM,功耗会更大。FLASH 需要整块擦除。RAMTRON的FM24CL16在3V 电源 100kHz 频率读写时，电流为75μA，standby 电流为1μA。ATMEL AT24C16 在5V 100kHz读写电流分别是0.4mA、 2mA,在2.7V时standby电流为1.6μA。AT24C16字节写入时间大约10ms，FM24CL16 写入时间为总线时间，不需延时，因而功耗较小。SDRAM与FLASH、SRAM 采用不同的接口，在调试ARM 中断服务程序时，由于中断服务矢量位于低端地址，调试时最好有SRAM映射到0 地址处。因此SRAM和FLASH的片选信号应该是可配置的。SRAM可选用Cypress CY62157DV18, 典型工作电流10mA，standby 电流为2μA。

3 其它周边元件

LCD显示屏应采用透射反射型，如SHARP LQ035Q7DB02。反射型LCD 在强光条件下有明亮的高对比度,但在弱光条件下需要更高的亮度。SHARP 把反射型LCD与背后点亮透射型LCD技术相结合,在强光条件下用作反射型LCD, 在弱光条件下用作背后点亮透射型LCD。反射模式时功耗为26mW；透射模式即点燃背景光LED时功耗为350mW。Xilinx CoolRunner-II CPLD使用了快速零功耗技术。在手持多媒体终端中，图像采集模块和声音采集模块数据量大，因此除静态功耗外，还应综合考虑接口电压高低，即数据传输引起的动态损耗。