一种智能手机的低功率损耗设计

OS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。

由此可以看出，在正常工作时，LCD背景LED灯功耗非常大。因此，在设计中，必须降低LED灯的功耗。可以通过以下方法：

a)在LED灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制LED灯工作时的电流。

b)利用人眼的迟滞效应，使用PWM(脉宽调制)信号来控制LED灯的开关。

在主CPU中，通过配置寄存器GPCON_U、GPCON_L可以把GPIO20一GPIO23和GPIO2-GPlO5配置成PWM信号输出，再配置内部相应的寄存器，控制PWM输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制LED背光灯，以此来降低LCD背光灯的功耗。

c)在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的LED灯亮度基础上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵活性，又进一步降低了手机的功耗。

2.6 无线Modem部分的控制

如图1所示，智能手机的硬件体系结构采用双CPU架构，无线Modem作为主CPU的一个外设，与主CPU芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭LCD、摄像机等外设的供电电源，而无线Modem不行，必须要求无线Modem具有继续等待来电、搜索网络等功能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线Modem方案，其中也拥有一个系统，内部运行完整的GSM(全球移动通信系统)协议和独立的电源管理模块，主CPU可以通过UART口和无线Modem进行电源管理协商。无线Modem内部的电源管理由自己来控制，当无线Modem处于空闲状态时，自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智能手机开机时，给无线Modem加电、关机时，对Modem进行断电。

2.7 软件优化

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。

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