基于FMC手機的低功耗設計方案

　　圖2：融合手機第一代平臺架構。（來(lái)源：恩智浦半導體）

　　第二代融合手機

　　由于越來(lái)越多的用戶(hù)使用藍牙耳機，第二代融合手機一般都集成了藍牙（BT）功能。這類(lèi)手機集成了三個(gè)射頻系統，并在它們之間進(jìn)行協(xié)調：由于采用協(xié)同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴重，因此需要復雜的射頻接入協(xié)調，特別是BT和WLANIC之間進(jìn)行緊密協(xié)調。

　　圖3：融合手機第二代平臺（來(lái)源：恩智浦半導體）

　　除此以外，第三個(gè)系統（BT）在空閑（掃描）和通話(huà)（即在使用耳機模式）時(shí)也需要額外功耗。因此BT子系統本身與所在的整個(gè)系統架構都需要具備很好的能效。

　　WLAN專(zhuān)用PMU，進(jìn)一步改善系統能耗。采用專(zhuān)用于WLAN和/或BT平臺的PMU，可以避免因LDO（線(xiàn)性穩壓器）造成的損耗，從而達到進(jìn)一步改善能耗的目標。

　　功耗需求的變化

　　功耗需求在過(guò)去的兩年里發(fā)生了相當大的變化。用戶(hù)剛開(kāi)始還能接受一些解釋?zhuān)菏謾C內置WLAN，這會(huì )損耗一些電量，待機時(shí)間只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待機時(shí)間達到數天則成為主要目標。但這依然沒(méi)有滿(mǎn)足消費者的期望：電池即便在支持相同的待機時(shí)間基礎上還要能夠通話(huà)一段時(shí)間（如3個(gè)小時(shí)）。此目標運營(yíng)商們保持了一段時(shí)間。

　　第一批消費者的反饋表明融合手機必須具備與普通GSM手機相同的性能。消費者不希望因采用FMC技術(shù)而帶來(lái)任何明顯的差異，因此，運營(yíng)商不但不會(huì )宣傳，甚至會(huì )對用戶(hù)進(jìn)行隱藏該項技術(shù)?！捌胀ā盙SM手機的另一個(gè)市場(chǎng)推動(dòng)力是Razr的成功，以及隨之不斷增長(cháng)的對超薄手機的需求?，F在，相同功能和性能的GSM手機（也包括FMC手機）一般都采用650mAh電池，而不是1000mAh，因此所有手機元件（包括WLAN）需要節約30%的能耗。圖5是功耗要求的典型演化圖，隨后將討論實(shí)現這一目標的解決方案。

　　圖4：融合手機第三代平臺。（來(lái)源：恩智浦半導體公司）

　　關(guān)鍵系統設計

　　整體設計

　　作為獨立的子系統，WLAN子系統需要擁有自己的時(shí)鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時(shí)激活主機的能力。必須避免在空閑時(shí)間內兩個(gè)系統并行工作：如果可以使用首選系統（WLAN），則另一個(gè)系統（GSM）需要進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了取得良好的關(guān)鍵性能和用戶(hù)體驗，某些偏差也可以接受（例如，在通話(huà)期間）。使處理器之間的通信最小化。WLAN只有在收到相關(guān)數據時(shí)才激活主機。RSSI（電平）測量應在WLAN子系統內局部進(jìn)行—只有測量值超出給定極限才激活主機。

　　圖5：UMA 手機功耗的演變過(guò)程。

　　協(xié)議分層及例外

　　嵌入軟件通常按照OSI模型進(jìn)行分層：物理層在專(zhuān)門(mén)的硬件/DSP/CPU上運行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗在硬件和軟件中都采用“內置設計”（即通過(guò)時(shí)鐘/電壓等級、省電模式等）；較高層將在功耗更高的主CPU（或應用CPU）上運行；通常涉及到不同組織、路線(xiàn)圖、團隊、軟件語(yǔ)言、OS、工具和限制等。

　　作為通用規則系統架構應按照時(shí)間域布置軟件層：GSM中，每一幀的處理應在DSP上完成而不是主CPU（以前情況并非如此，通常項目預算也不允許完全重新設計），不過(guò)協(xié)議工作應在主CPU上完成。

　　以下例外情況如果可以實(shí)現，則將大大降低待機功耗：

　　GSM中：協(xié)議每0.5秒檢查用戶(hù)收到的信息是否為呼叫，這項工作可以轉交DSP，使主CPU有更長(cháng)的睡眠時(shí)間。

　　WLAN中：每0.1秒—0.5秒進(jìn)行一次RSSI和其它測量，但只有當動(dòng)態(tài)下載極限超出上、下值并將產(chǎn)生動(dòng)作時(shí)，才應激活主處理器。

　　惰性范式

　　一般情況下，所有算法設計時(shí)都考慮最差狀態(tài)下的最佳性能。如果有足夠的可用電源，這種方法不會(huì )產(chǎn)生任何問(wèn)題，但通常情況下這一要求會(huì )過(guò)高，從而需要根據實(shí)際情況進(jìn)行調整。

　?。?.5秒查看鄰近小區可以產(chǎn)生良好的切換性能，而在空閑狀態(tài)下此動(dòng)作可以被簡(jiǎn)化。

　?。褂猛獠侩娫垂ぷ鲿r(shí)（充電器、USB電纜），可以選擇最高性能的算法，而使用電池時(shí)則減少此類(lèi)操作。

　?。灰脩?hù)進(jìn)行操作（如按鍵）就應激活高性能算法，但在一段時(shí)間內沒(méi)有任何操作，則應使用電池優(yōu)化算法。

　?。浖粦霰匦璧氖虑椋ㄔ谙拗乒臓顟B(tài)下），只在必要時(shí)刷新緩存，而不是采用自動(dòng)定時(shí)刷新的方式。

　?。謾C要考慮到環(huán)境的變化，如檢測“全天同一位置”與“不斷移動(dòng)”的情況，以釋放網(wǎng)絡(luò )掃描等請求。

　　-高級節能措施還需要考慮電池狀態(tài)的變化：如果電池電量下降，則移動(dòng)切換速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要進(jìn)一步降低。

　?。到y范式需要全局接口以及應用于整個(gè)系統的單一設計，如“使用電池”與“使用電源”狀態(tài)或活動(dòng)指示等。所有算法都需要這些信息。

　　關(guān)鍵軟件設計

　　替換“Do…While”循環(huán)

　　嵌入軟件一般具有很多以并行邏輯運行的RTK任務(wù)。多數情況下，軟件需要等待某個(gè)條件為真，如“AP已關(guān)聯(lián)”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一種簡(jiǎn)單的方案（經(jīng)常用于“C”語(yǔ)言），即在一個(gè)任務(wù)中使用“Do…while”命令，并用循環(huán)輪詢(xún)來(lái)獲得較低優(yōu)先級任務(wù)的結果（如IP協(xié)議棧）。

　　此時(shí)，CPU保持運行直至條件成立，這將導致高功耗。實(shí)際例子：等待顯示器完成刷新。

　　較好的方案是啟動(dòng)RTK定時(shí)器，然后進(jìn)入一段睡眠時(shí)間，過(guò)后再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種“輪詢(xún)”，但減少了對功耗的影響，并可以采用不同的睡眠間隔度，動(dòng)態(tài)地適應不同的性能需求。

　　更好的方案是采用RTK消息與中斷，當最終達到條件時(shí)激活主機。這樣能夠最大程度地降低功耗，不過(guò)中斷是一種稀有資源，而系統架構必須在設計時(shí)就考慮最高效功耗。不幸的是，功耗問(wèn)題一般在產(chǎn)品生產(chǎn)后期才被發(fā)現，因此需要進(jìn)行重新設計，但很少有人會(huì )重新設計。

　　定時(shí)器管理是關(guān)鍵

　　嵌入軟件經(jīng)常需要從幾毫秒到數天的定時(shí)范圍，特別是硬件處理、軟件輪詢(xún)，或由標準給定（IP、電信等）。定時(shí)器到時(shí)需要激活CPU并運行RTK/OS程序。退出省電模式后需要一段時(shí)間來(lái)達到系統穩定，而返回省電模式也需要一些時(shí)間來(lái)準備下一次的正確激活。CPU激活一般非?？欤ㄔ谖⒚敕秶?，但主時(shí)鐘仍需運行，這樣只節省了少量功耗。全系統的睡眠（包括主時(shí)鐘）可能需要5至20毫秒的激活時(shí)間，但只有這種方法才能提供最大的節能效果。

　　應盡可能避免出現定時(shí)器頻繁過(guò)期情況。給定900毫秒的定時(shí)器可以通過(guò)900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（時(shí)鐘計時(shí)單元）來(lái)實(shí)現，這樣做對功耗有著(zhù)全然不同的影響。操作系統應使用最大tick長(cháng)度。這意味著(zhù)為獲得最大節能效果，必須盡可能放松對定時(shí)器精度的要求，例如不采用900毫秒（此時(shí)操作系統tick的時(shí)間間隔為100毫秒），實(shí)際應用中“1秒”可能已經(jīng)足夠。手機擁有與實(shí)際空中接口物理層相關(guān)的系統tick。使用這些tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少激活的次數。GSM每幀4.615毫秒，使用這個(gè)時(shí)長(cháng)為一個(gè)“tick”成為自然的選擇。語(yǔ)音采用多個(gè)20毫秒做為時(shí)間間隔，需要不同的tick。WLAN信標基于100毫秒的自然tick間隔。

　　功耗問(wèn)題將永遠存在

　　手機行業(yè)屬于快速變化的行業(yè)，每年都會(huì )在新款手機上增添很多新功能，而用戶(hù)期望的使用時(shí)間卻與上一代手機一致，甚至更長(cháng)。即使在更大屏幕尺寸、更大畫(huà)面尺寸、更多可存儲音樂(lè )，以及更多的接入網(wǎng)方式（用戶(hù)甚至經(jīng)?？床坏剑┑那闆r下，用戶(hù)對電池使用時(shí)間的預期依然不變。鑒于提高電池容量