優(yōu)化雙帶雙模手機的處理器間通信

　　引言

　　隨著(zhù)全球化的推進(jìn)，當今以商務(wù)和休閑為目的的環(huán)球旅行已經(jīng)非常普遍；伴隨著(zhù)旅行而來(lái)的則是要隨身攜帶差旅必備的物品與新興電子產(chǎn)品 (gadget)。幸運的是，目前的手機功能非常豐富，我們不用再帶上 MP3 播放器、便攜式導航設備、攝像機和手持式視頻游戲機等多個(gè)設備。手機每年的出貨量超過(guò) 10 億部，已成為人們出門(mén)必帶的產(chǎn)品。不過(guò)，如果帶上了手機出國，到了國外卻不能用，那真是一件令人頭疼的事。日、韓等國與大多數歐洲國家只支持 GSM 不同，他們采用的是 CDMA 和 FOMA 標準。眾多其他國家則同時(shí)支持 GSM 和 CDMA 這兩種不同的標準，但具體采用何種標準取決于所訂閱的電信運營(yíng)商。因此，一部手機不見(jiàn)得能滿(mǎn)足全球范圍使用的要求。許多旅行者最后不得不帶上兩部手機，或者在機場(chǎng)購買(mǎi)新的 SIM 卡，然后再把新的電話(huà)號碼用電子郵件通知朋友和同事。

　　隨著(zhù)手機制造商競相推出用戶(hù)希望的“全球性”漫游功能，上述這種不便催生了雙帶雙模 (DBDM) 手機的發(fā)展，這種手機能支持真正的全球可用性。DBDM手機是一種包括兩個(gè)不同基帶處理器的手機，有兩個(gè)插槽，一個(gè)可以插 SIM 卡支持 GSM 通道，另一個(gè)則用于插入可移動(dòng)用戶(hù)識別模塊 (RUIM) 支持 CDMA 通道。不過(guò)，有些其電路板本身已集成 CDMA 功能塊的手機則可能只帶一個(gè)槽，用于插入 GSM SIM 卡。目前在其產(chǎn)品線(xiàn)中力推“全球性手機”的主力手機制造商包括 RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

　　除處理預定的 CDMA 與 GSM 信號外，每個(gè)基帶處理器還在手機中負責執行各自具體的任務(wù)，其中包括支持鍵區和 LED 等簡(jiǎn)單應用，乃至操作 LCD 屏幕、攝像頭及視頻處理等復雜功能。由于兩個(gè)分立處理器都要接收信號，而且還要分別執行各種不同的其它應用任務(wù)，因此必須確保在兩個(gè)處理器之間高效傳輸數據，避免最終用戶(hù)在使用中感覺(jué)到延遲，并盡可能減小對電池使用壽命的影響，甚至不影響。隨著(zhù)高分辨率手機攝像頭和視頻流技術(shù)在手機中的應用，手機文件尺寸不斷加大，數據傳輸速率越來(lái)越快，這就需要進(jìn)一步提供這兩個(gè)分立處理器間的數據處理效率。我們在訪(fǎng)問(wèn)手機中存儲的圖片或視頻時(shí)，不是經(jīng)常因為手機半天沒(méi)反應而頭疼不已嗎？這是什么原因造成的呢？

　　隨著(zhù)電信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率已從過(guò)去2.5/2.75G手機的 Kbps 級發(fā)展到了目前 3.5G HSPA手機的 Mbps 級。WiMax、WiBro、LTE 和 UMB 等目前正投入試用的移動(dòng)通信標準將進(jìn)一步提高數據傳輸速率。為了滿(mǎn)足新標準提出的更高速度要求，處理器的處理能力在不斷提高，蜂窩網(wǎng)絡(luò )在不斷升級，以適應數據傳輸速率指數級增長(cháng)的要求。

　　盡管基帶處理器處理能力提高了，蜂窩網(wǎng)絡(luò )數據傳輸速率加快了，但手機本身的內部架構仍然很落后，從而限制了手機功能的最佳發(fā)揮，這就需要優(yōu)化處理器間通信架構。相對于蜂窩手機產(chǎn)業(yè)技術(shù)的指數級發(fā)展，電信領(lǐng)域中手機本身的發(fā)展比較滯后。目前，我們的基帶處理器和應用處理器的處理速度可達每秒百萬(wàn)條指令 (MIPS)， HSPA手機數據傳輸速率可達 10Mbps 甚至更高。然而，盡管集中精力在提高處理器能力與無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率，但處理器間通信一直是一個(gè)很大的瓶頸。許多手機設計人員都面臨這一問(wèn)題，即便采用最新、功能最強大的處理器與芯片組，卻未能有效提高手機產(chǎn)品的性能。

　　當前解決方案及其缺點(diǎn)

　　目前的手機架構采用多種處理器間通信技術(shù)。當前比較流行的直接接口包括SPI、I2C、UART和USB。

　　盡管 SPI 能支持 20Mbps 以上的數據傳輸速率，但其沒(méi)有統一的規范，因此主要取決于采用什么樣的處理器。若采用基帶處理器， SPI 一般可支持約 16Mbps的數據傳輸速率。由于眾多基帶處理器制造商推出各自的專(zhuān)利產(chǎn)品，因此不同基帶處理器上不同的SPI接口會(huì )對設計人員提出不同的挑戰，難以將兩個(gè)不同基帶處理器成功配對，以實(shí)現最佳SPI 速度。

　　另一方面，盡管最新 I2C 規范提出了吞吐量高達 3.4Mbps的高速模式，但目前可用的大多數設備只能支持400Kbps到1Mbps的數據傳輸速率。就這種速度而言，I2C 對目前的電信需求來(lái)說(shuō)太慢了。

　　手機中的第三類(lèi)互連技術(shù)就是UART。UART的典型數據傳輸速率約為 1.5Mbps，而高速UART 則支持高達 5Mbps 的速率。但，這種數據傳輸速率還是不能滿(mǎn)足高帶寬處理器間通信的要求。

　　比較流行的一種互連技術(shù)是采用通用串行總線(xiàn) (USB) 接口。大多數處理器都具備全速USB（FS-USB）性能。FS-USB的最大數據傳輸速率為 12Mbps，由于USB協(xié)議本身的數據包開(kāi)銷(xiāo)較高，因此其實(shí)際吞吐量約為 6Mbps。此外，大多數基帶處理器不具備 USB 主機功能，而這對 USB 解決方案來(lái)說(shuō)又是必需的。因此，我們必須內置額外的 USB 主機功能。USB連接技術(shù)不但不能滿(mǎn)足目前HSPA手機的數據傳輸速率要求外，而且還會(huì )增加功耗，這是因為USB主機即便在不傳輸數據時(shí)也始終保持工作狀態(tài)。此外，基帶處理器上可用的 USB 端口數量通常也受限制，因為USB也是手機連接到PC的實(shí)際標準。

　　此前，就較慢網(wǎng)絡(luò )上的文本消息和簡(jiǎn)單的數據傳輸而言，上述互連技術(shù)基本還算夠用。但是，由于 HSPA手機數據傳輸速度可達14.4Mbps甚至更高，以上這些目前流行的接口將難以以高效、最佳的方式支持所需吞吐量。

　　那么，設計人員怎么才能滿(mǎn)足當前對手機更高吞吐量的需求呢？

　　備選解決方案及其優(yōu)點(diǎn)

　　解決處理器間互連問(wèn)題的一種潛在解決方案就是采用多端口互連技術(shù)，這也是目前眾多DBDM架構所使用的一種技術(shù)。在 DBDM 架構中，緩沖多端口器件作為兩個(gè)CPU之間的互連機制，能支持兩者之間的高速數據傳輸，而且也有助于降低處理器間通信 (IPC) 的功耗。

　　速度

　　采用多端口互連技術(shù)的最明顯優(yōu)勢就在于速度高。雙端口存儲器的存取時(shí)間僅為 40ns，能支持高達 400Mbps 的數據傳輸速度，這不僅足以滿(mǎn)足目前HSPA手機要求，而且還為今后吞吐量需求的進(jìn)一步提升奠定了堅實(shí)的基礎（比方說(shuō) LTE 標準）。隨著(zhù)手機技術(shù)日益復雜，處理器間傳輸的數據量肯定會(huì )不斷加大。利用多端口互連技術(shù)，手機設計人員將不再被處理期間通信瓶頸的問(wèn)題所困擾。

　　功耗

　　除了高速之外，低功耗也是 DBDM 手機的一大關(guān)鍵要求。如果在整個(gè) IPC 期間兩個(gè)基帶處理器都要求保持工作狀態(tài)（如SPI、UART、I2C或USB一樣），那么肯定會(huì )影響電池使用壽命。除此之外，處理器間保持通信還要占用各自的專(zhuān)用資源，從而降低處理器性能。

　　多端口解決方案支持處理器間的無(wú)源通信。處理器可根據需要寫(xiě)入多端口互連，然后再進(jìn)入睡眠模式。另一個(gè)基帶處理器可根據需要在方便的時(shí)候存取數據。由于多端口互連機制作為緩沖，因此接收方處理器可在收到多端口互連中斷之間一直處于睡眠模式，只在需要接收數據的時(shí)候再進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　我們不妨看看下面這個(gè)例子，比較一下多端口 IPC 解決方案和基于 FS-USB 的 IPC 解決方案。實(shí)際吞吐量為 6Mbps 的 FS-USB 解決方案傳輸 480Mb（60MB）數據或 10 首 MP3 歌曲需要 1 分20 秒的時(shí)間，而用多端口互連技術(shù)傳輸同樣的數據量只需要 5 秒鐘（假定實(shí)際吞吐量為 100Mbps）。核心電壓為 1.2V 的典型基帶處理器工作時(shí)功耗為 120mW，睡眠模式下功耗為 0.24mW。如果兩個(gè)處理器在 80 秒鐘的 IPC期間一直處于工作狀態(tài)，那么采用 USB 的解決方案功耗就為 5.33mWH [（120x2） x 80/3600]，而采用多端口技術(shù)時(shí)在數據傳輸期間只有一個(gè)處理器工作，處理器加上多端口互連（~27mW）的總電池耗電量?jì)H為0.743mWH [（（（120 + 0.24） x 2） + 27） x 10/3600]。也就是說(shuō)，在一次 IPC 期間，我們就實(shí)現了 85% 的節電效果，隨著(zhù)人們用手機下載音樂(lè )、圖片、電子郵件以及瀏覽因特網(wǎng)越來(lái)越多，這種節電功能必將發(fā)揮巨大作用。

　　靈活性

　　互連緩沖的另一優(yōu)勢在于，采用多端口器件實(shí)施 IPC時(shí)無(wú)需軟件驅動(dòng)程序，這就使手機制造商基本不用修改整體軟件 IPC 架構就能針對不同地區推出不同型號的產(chǎn)品。這就提高了制造商在不同處理器上采用不同操作系統的靈活性，并能根據系統需求靈活地選擇處理器，而不必受到 IPC 的局限。

　　單芯片解決方案

　　近期推出的單芯片解決方案包括了GSM和CDMA的選定頻帶，這是一項令人感興趣的新發(fā)展。在這種解決方案中，由于要在單芯片上集成所有必需的功能，通常會(huì )在特性與性能上進(jìn)行取舍。這種處理器比較新，還沒(méi)有完全經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的檢驗。大多數制造商仍然希望采用業(yè)經(jīng)驗證的解決方案，通常不希望在性能要求方面折衷。因此，從提高網(wǎng)絡(luò )傳輸速率以及滿(mǎn)足特性要求方面來(lái)說(shuō)，雙處理器架構是較理想的選擇。

　　結論

　　隨著(zhù) HSPA手機的發(fā)展，以及視頻與數字內容質(zhì)量的改進(jìn)，這在近期會(huì )催生處理器間通信架構的革命性發(fā)展。傳統的互連機制已不再適應基帶處理器數據吞吐量的要求，也不能滿(mǎn)足未來(lái)移動(dòng)通信標準發(fā)展的要求。一些手機設計人員已經(jīng)開(kāi)始認識到這個(gè)懸而未決的問(wèn)題，并開(kāi)始在 DBDM 手機中轉而采用低功耗的多端口互連技術(shù)。多端口互連技術(shù)不僅能支持當前手機設計方案的高帶寬與低功耗要求，而且還能幫助設計人員靈活地推出成本更低、質(zhì)量更高、上市速度更快的手機。