（电路与系统专业论文）基于Intel+Xscale+PXA270的智能手机的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北工业大学硕士论文摘要 摘要 随着通信技术高速发展，移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数据、 图像综合方向演变。由于智能手机与3 g 手机有着诸多共同点，智能手机已经成 为厂商进入3 g 终端领域的预演，以智能手机为突破口将为未来3 g 提供重要的 基础和经验。从某种意义上说，智能手机已经撬开了3 g 的大门。因此，智能手 机的开发是未来手机发展的趋势 本论文基于企业的实际产品设计，对智能手机设计过程进行了分析研究。课 题的目标是设计出支持g p r s g s m 、具有p d a 、船3 m p 4 播放、数码照相和摄像、 蓝牙、g p s 导航以及游戏功能的智能手机。 论文从系统设计的角度对智能手机的开发进行了阐述，首先介绍了智能手机 的系统架构，并对应用于智能手机上的主流操作系统进行了分析比较；其次在介 绍i n t e lp x a 2 7 0 处理器芯片的基础上，提出了“应用处理器+ 基带处理器”的双 c p u 的智能手机实现方案。然后论文详细说明了基于p x a 2 7 0 处理器的智能手机的 硬件开发过程和智能手机的硬件总体设计和各个功能模块( 应用处理器、存储器、 g s m 、a 吒p s 、蓝牙、多媒体音频芯片、l c d 和电源管理芯片) 的硬件设计，并给 出了大部分模块的实现电路图。 本论文提出的基于p x a 2 7 0 的智能手机实现方案已经经过产品化验证，是目前 主流设计方案之一，具有很高的市场应用价值。 关键词；智能手机、辅助全球定位系统、蓝牙、p x a 2 7 0 、l i n u x i 西北工业大学硕士论文 b s l l 螂 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t et e c h n o l o g y ，t h em o b i l e t e r m i n a t eh a s b e e nc h a n g e dt om u l t i f u n c t i o n so fv o i c e ，d a t aa n di m a g ef r o m s i n g l ev o i c ef u n c t i o n i nc a s eo ft h e r ea r es om u c hc o l 珊 o nb e t w e e n s m a r t p h o n ea n d3 g ，t h es m a r t p h o n eh a sb e c o m et ot h ep r e v i e wo f3 gt e r m i n a t e ， s u p p l y i n gt h ei m p o r t a n tb a s ea n de x p e r i e n c e f o rm a n yc o r p o r a t i o n s s m a r t p h o n eh a so p e nu pt h ed o o ro f3 gi nas e n s e s os m a r t o n ei st h e d i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ep h o n ei nt h ef u t u r e t h i sp a p e ra n a l y s e sa n ds t u d i e st h ed e s i g n i n gp r o c e s so fs m a r t p h o n e b a s e do nt h ep r a c t i c a l l yp r o d u c t i o nd e s i g n i n g i ta i m e dt od e s i g na s m a r t p h o n ew i t hf u n c t i o n so fg p r s g s m ，p d a ，m p 3 m p 4p l a y e r ，d i g i t a lc a m e r a a n dv i d e o ，b l u e t o o t h ，g p sa n dg a m e s t h i sp a p e rs t a t e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs m a r t p h o n ef r o mt h e p o i n to f v i e wo fs y s t e md e s i g n f i r s t l y ，t h es y s t e ms t r u c t u r eo fs m a r t p h o n e i si n t r o d u c e d ，a n dt h em a i n s t r e a mo p e r a t es y s t e m su s e do ns m a r t p h o n en o w i sa n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e n ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h ei n t e lp x a 2 7 0 p r o c e s s o r t h es m a r t p h o n e s o l u t i o no f d u a l p r o c e s s o r ( a p p l i c a t i o n p r o c e s s o rp l u sb a s e b a n dp r o c e s s o r ) i sp r o p o s e d t h i sp a p e re x p l a i n st h e h a r d w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs m a r t p h o n eb a s e do np x a 2 7 0i nd e t a i l i t a l s oe l a b o r a t e st h eg e n e r a ld e s i g no fh a r d w a r eo fs m a r t p h o n ea sw e l la s d e s i g na n di m p l e m e n to ft h ef u n c t i o n sw i t he a c hp a r t ( a p p l i c a t i o np r o c e s s o r ， m e m o r y ，g s m ，a g p s ，b l u e t o o t h ，a u d i oc o d e c ，l c dm o d u l ea n dp m i c ) m o s ts c h s o ft h ef u n c t i o n b l o c k sa r es h o w e di nt h i sp a r t t h ed e s i g no fs m a r t p h o n eg i v e nb yt h i sp a p e ri so n eo ft h em a i n s t r e a m s o l u t i o n s ，i th a sp r o v e db ym a s sp r o d u c t i o na n dh a sav e r yh i g hm a r k e tv a l u e k e y w o r d s ：s m a r t p h o n e ，a g p s ，b l u e t o o t h ，p x a 2 7 0 ，l i n u x 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能手机的相关概念 从整个手机发展的进程上看，我们可以把手机的发展分为三个阶段，第一阶 段是体积上的变化，手机由最初的大砖头演变到现在的小巧玲珑；第二阶段是色 彩变化，手机屏幕由黑白变到彩色，进而出现了拍照手机、音乐手机、游戏手机 等；第三阶段则是智能手机的出现，手机由封闭式操作系统变成开放式操作系统， 可以实现多种扩展功能应用。针对这三个阶段，可以把手机划分为以下三类： 普通手机：2 0 0 1 年以前出现的第一代数字手机和目前市面上出现的超低成本 手机基本上属于这类。一般来说，这类手机只具备基本的通话功能，也以黑白屏 为主。它内部的处理器比较简单，运算速度较低，当然，它还是可以处理一些简 单的附加任务，比如玩一些游戏，如记事本，日历等功能，但应用软件不能扩充。 多功能手机：熟称f e a t u r ep h o n e ，现在市面上大多数手机属于这类，如m p 3 手机，手机电视等。这类手机的功能相对强大，除了基本的语音通话功能，还有 很强的附加功能，比如w a p 上网、j a v a 游戏、e m s ( 增强消息服务) 、m m s ( 多媒体 消息服务) 等等，屏幕也从单色发展到彩屏，大多数支持和弦铃声，但应用软件的 可扩充性还是比较小。 智能手机：智能手机( s m a r tp h o n e ) 的概念是由m o t o r o l a 、n o k i a 等国际 著名手机制造公司在2 0 0 4 年开始提出来的，它通常被定义为一种把手机功能、可 编程信息管理功能和互联网接入功能融合在一起的便携式设备。智能手机的更为 普通的定义是指有开放式操作系统和c p u 、可以扩展硬件和软件功能、可以添加 各种娱乐、办公、上网等应用的多功能手机。但半导体技术的发展和处理器能力 的不断增强已经使智能手机的概念不再仅仅是手机+ p d a 的简单内涵，当前的智能 手机方案已经能实现很多通常在桌面电脑中才涉及的性能和功能，包括高保真立 体声效、3 d 图形效果、d v d 效果的视频播放以及具有丰富体验的多媒体游戏、蓝 牙、w i f i 等。 1 2 智能手机与普通手机的区别 其实，判定一款手机是否为智能手机，并不是看其是否支持m p 3 、是否支持 h t m l 页面浏览、是否支持外插存储卡等功能，而是看其是否是一款具有操作系统 的手机。也就是说，我们要看操作系统的程序扩展性，看其是否可以支持第三方 软件安装、应用。 智能手机不同于普通手机的主要方面是它的可扩展功能，因此，需要一个全 西北工业大学硕上论文 第一章绪论 新完整的产业链来支持它的发展，包括运营商、终端厂商、s p 、软件提供商等。 一般来说，智能手机都具有电脑的一些功能：运行程序靠c p u 来完成的，具有手 机专用操作系统，可以上网、接收下载文件、处理文件、播放音频及视频等，也 可以通过增加各种软件实现更多功能。 1 3 智能手机发展现状和市场动态 就目前市场形势来看，市面上的国产智能手机的主要厂商有联想、t c l 、多酱 达、名人、波导等几家。多普达全系列手机都是采用t i 公司的o m a p 系列处理器 ( a r m 9 + d s p ) 配合w i n d o w sm o b i l e 操作系统( 早期是s y m b i a n ) ，联想全系歹智能手 机产品所采用的处理器都是采用i n t e l 的p x a 系列，其中包括他的旗舰产品 e t 9 6 0 ( p x a 2 7 2 ) 和e t 9 8 0 ( p x a 2 7 0 ) ，操作系统都是采用w i n d o w sm o b i l e 。波导主要 两款智能手机d o e a s ye 8 6 8 ，e 8 5 8 操作系统均采用自己裁减的l i n u x ，以价格赢得 了不少用户的喜爱。t c l 智能手机旗舰产品e 7 5 7 ，采用的还是p x a 2 7 2 处理器加 l i n u x 操作系统。 据来自美国市场研究机构i n - s t a r 胁r 的预测，未来五年内智能手机的销货 量年增长率将达到4 4 ；从2 0 0 5 年到2 0 1 0 年，仅在中国市场3 g 终端的销售额就 将由每年2 0 0 亿元猛增到1 0 0 0 亿元，6 年的累积将达到4 5 0 0 亿元，其中相当数 量是能看手机电视、用视频通话的智能手机。因此，分析预测，智能手机未来几 年前景良好。目前，波导、t c l 、夏新等曾经辉煌一时的著名品牌都显示亏损，而 字龙酷派、多普达等则是2 0 0 5 年宣布实现盈利的少数厂商之一，后两者都是智能 手机，其中宇龙酷派是c o m a 智能手机的赢家，而多普达则依靠g s m 智能手机赢利。 1 4 论文的实践背景和意义 2 0 0 7 年将是智能手机走向平民化的一年。市场调研公司i n - s t a t 发表研究报 告指出，亚太地区( a p a c ) 智能手机市场正在进入大规模普及阶段，2 0 0 6 年智能手 机出货量预计比2 0 0 5 年增加一倍，预计销量将达1 8 8 0 万部，2 0 1 0 年将增至6 4 2 0 万部。由于需求量大，利润较高，加上良好的市场预期。多数手机厂商已经将实 力较强的研发团队集中在智能手机领域，把智能手机列为新的业务增长点。因此， 智能手机的开发是未来手机技术发展的趋势，对智能手机的研发具有很高的应用 价值。 而且，智能手机与3 g 手机有着诸多共同点，智能手机已经成为厂商进入3 g 终端领域的预演，以智能手机为突破口将为未来3 g 提供重要的基础和经验。从某 种意义上说，智能手机已经撬开了3 g 的大门。智能手机能成为2 0 0 6 年的一个亮 西北工业大学硕十论文第一章绪论 点，不仅是因为在各类通信展上随处可见智能手机的身影，更是因为智能手机所 承载的增值服务，拇指经济需要以手机作为工具和使用平台，而智能手机将承载 更多的移动增值业务。 此研究课题的来源是深圳经纬科技公司经过市场调研分析后作出的重要决 策，是某型号高端智能手机的开发设计方案。它的意义主要是体现在应用价值上， 首先在课题研究中掌握智能手机的开发过程和方法，为智能手机的真正实现做探 索。其次，为公司设计实现一个通用的智能手机软硬件开发平台，使公司能够在 此平台基础上针对不同的市场需要，设计开发出各种类型的智能手机。 1 5 论文结构安排 论文剖析了目前主流的“基带处理器+ 应用处理器”双核智能手机系统架构， 并以i n t e lp x a 2 7 0 为例，对智能手机的硬件整体设计、各组件间的通讯接口和实 现进行了详细说明，同时也对目前智能手机所采用的4 种操作系统进行了比较分 析。论文总体的结构安排如下： 第一章简要介绍了智能手机的相关概念、发展现状和最新市场分析，阐述了 本课题产生的实践背景和实际应用价值。 第二章简要介绍了智能手机操作系统的功能和特点以及应用于智能手机上的 主流操作系统。 第三章是本论文的重点章节，详细介绍了智能手机硬件架构的特点和方案选 择时需要考虑的关键因素，同时说明了在选择应用处理器时需要考虑的因素。 第四章是本论文的重点章节，在介绍i n t e lp x a 2 7 0 处理器芯片的基础上，给 出了智能手机的硬件整体系统模块框图，详细介绍了智能手机各个模块所要实现 的功能以及硬件设计实现，并给出了大部分接口的实现电路。 第五章介绍了部分硬件模块的调试过程，调试过程中碰到的问题以及最终调 试结果。 第六章阐述课题结果、不足之处以及认识和展望。 西北工业大学硕士论文第二章智能手机操作系统介绍 第二章智能手机操作系统介绍 对于手机制造商来说，软件系统已成为产品开发中的重头戏，常见的开发议 题包括操作系统、通信协议、多媒体处理、a p i 、d r i v e r 、u i 等。目前智能手机 都需采用高端操作系统( h i g h l e v e l0 p e r a t i o ns y s t e m ，h l o s ) ，才能加速系统 功能的开发，并满足多样化的应用需求。为了满足多媒体、高端显示、信息处理 等功能，软件所需要的内存空间不断增加，从过去的i 2 m b 到现在1 6 m b 的最低 配置，直至2 5 6 m b 才够用。 2 1智能手机操作系统基本功能 智能手机可以看作是具有通讯功能的手持式电脑，所以它的操作系统的最基 本功能同普通电脑的操作系统的最基本功能是一致的，如任务调度、同步机制、 中断处理、文件处理等。但同时，它又可以看作是嵌入式设备，它的操作系统又 属于嵌入式操作系统，具备嵌入式操作系统的基本功能和一般特征，如微内核、 可定制性、代码固化等。此外，智能手机又是一个移动通讯设备，在硬件上拥有 自己的特点，所以它的操作系统与普通的嵌入式操作系统在细节上又有所不同， 具有以下的特点： 紧凑高效：智能手机的存储媒介容量较小，而且价格昂贵，这就决定了运行 于里面的操作系统必须更a n d , 巧和高效。 针对无线通讯优化：智能手机的大部分应用都跟无线通讯相关的，针对无线 通讯优化，不但可以提高系统运行的效率，还可以降低开发的难度。 省电设计：对于手持式设备，电池的续航能力是一个受用户广泛关注的问题。 如何提高电源管理技术并延长电池使用寿命，不仅与电池技术本身的发展有关， 也与操作系统对功耗的智能管理密切相关。 2 2 智能手机高端操作系统的特点 高端操作系统虽然比专属性( p r o p r i e t a r y ) 操作系统需要更大的空间，但其 好处也不少。它采用标准a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 接口并提 供稳定的用户界面( u s e ri n t e r f a c e ，u i ) 与开发工具，让开发者能更有效地开 发应用程序，大幅缩短开发时间与测试成本；对制造及运营商来说，也更容易将 同样的应用移植到不同的平台上。 高端操作系统需要支持的接口标准很多，基本的如o n i c o d e 、p o s i xa p i 和 j a v a 等，连接标准包括t c p i p 、p o p 3 、i m a p 4 、s m t p 、s m s 、o b e x 等，其他新兴 的标准则包括j 2 m e 、蓝牙、删s 、s y n c m l 、i p v 6 、d v b h 和w c d m a 等。 4 西北工业大学硕士论文 第二章智能手机操作系统介绍 高端操作系统受到重视的另一个原因在于它强调开放性的策略。各种高端操 作系统尽量采用业界标准、公开内部技术和形成产业联盟等做法，凝聚了自己的 大量开发社群用户，为手机的设计提供了丰富的程序内容。这对手机市场是一大 利，让运营商能设定自己的差异化经营模式，终端用户也能各取所需，进而营造 出活跃的市场气氛。 2 3 智能手机主流高端操作系统介绍 目前市场上的主要手机高端操作系统有s y m b j a n 、w i n d o w sm o b i l e 和l i n u x 以及p a l m 这四种智能操作系统。但是在1 0 0 款热门机型中，智能手机主要采用 的是s y m b i a n 、w i n d o w sm o b i l e 与l i n u x 这三大智能操作系统所。其中，s y m b i a n 操作系统所占比例最高，达到4 5 0 ；w i n d o w sm o b i l e 这一微软操作系统所占比 为3 5 o ，余下2 0 0 9 6 的份额则为l i n u x 操作系统所占据。s y m b i a n 有n o k i a 等 大厂的支撑，是目前市场中最主要的o s ；微软的w i n d o w sm o b i l ef o rs m a r t p h o n e 的用户则以i t 转型手机厂商为多，因为开发者已熟悉其平台，也有生产勇己合上的 长远关系；l i n u x 则是新兴的操作系统，以开放原始码而著称，目前在手机市场 的商用版本中，以m o n t a v i s t a 的着力最深。 2 3 1 s y m b i a n s y m b i a n 是一个实时性、多任务的纯3 2 位操作系统，具有功耗低、内存占用 少等特点，非常适合手机等移动设备使用，经过不断完善，可以支持g p r s 、蓝牙、 s y n c m l 以及3 g 技术。最重要的是它是一个标准化的开放式平台，任何人都可以 为支持s y m b i a n 的设备开发软件。s y m b i a n 将移动设备的通用技术，也就是操作 系统的内核，与图形用户界面技术分开，能很好的适应不同方式输入的平台，也 可以使厂商可以为自己的产品制作更加友好的操作界面，符合个性化的潮流。 s y m b i a n 对硬件的要求比较低，支持c 什、v b 和j 2 m e 。兼容性较差。代表阵营： 索爱、诺基亚，摩托罗拉、松下、西门子。 s y m b i a n 操作系统在智能移动终端上拥有强大的应用程序以及通信能力，这 都要归功于它有一个非常健全的核心一强大的对象导向系统、企业用标准通信传 输协议以及完美的s u nj a v a 语言。s y m b i a n 认为无线通讯装置除了要提供声音沟 通的功能外，同时也应具有其它种沟通方式，如触笔、键盘等。在硬件设计上， 它可以提供许多不同风格的外型，像使用真实或虚拟的键盘，在软件功能上可以 容纳许多功能，包括和他人互相分享信息、浏览网页、传输、接收电子信件、传 真以及个人生活行程管理等。此外，s y m b i a n 操作系统在扩展性方面为制造商预 留了多种接口，而且e p o c 操作系统还可以细分成三种类型：p e a r i o u a r t z 西北工业丈学硕士论文 第二章智能手机操作系统介绍 c r y s t a l ，分别对应普通手机、智能手机、h a n dh e l dp c 场合的应用。 s y m b i a n 分两个主要的智能平台，一个是适于单手操作的$ 6 0 ，代表产品是诺 基亚7 6 5 0 、3 6 5 0 ；另一个是双手操作的$ 8 0 ，代表产品是诺基亚的9 2 1 0 ，主要针 对商务用户。此外s y m b i a n 上还有另一个平台u i q ，以笔操作为主，代表产品是 索尼爱立信的p 8 0 2 。 2 3 ，2w i n d o w sm o b 1 e w i n d o w sm o b il e 包括p o c k e tp c 、s m a r t p h o n e 以及p o c k e tp cp h o n e 三大平 台体系，w i n d o w sm o b i l e 具有录音、音视频播放等多媒体功能。由于大多数机型 支持彩色显示，因此耗电量极大，并且由于w i n d o w sm o b i l e 本身对于资源的巨大 吞噬作用，所以在能耗方面w i n d o w sm o b i l e 系统要明显逊于p a l m 操作系统。在 功能扩展方面微软比较倾向于集成使用，大多具有标准的c f 卡插槽，用户可以根 据自己的需要增加内存、加装摄像头、调制解调器等设备。代表阵营：摩托罗拉、 多普达。 针对中国用户而言，w i n d o w sm o b l i e 的中文操作系统已经比较成熟。目前， 摩托罗拉、a r m 、s t 、n e o m a g i c 、德州仪器、i n t e l 、三星、现代都已经生产了针 对该系统的处理器；有数十家制造商生产基于s m a r t p h o n e 和p o c k e tp c 技术的移 动设备，有3 5 家运营商分销这些产品。 2 3 3l i n u x 凭借其自由、免费、开放源代码的优势，经过来自互联网、遍布全球的程序 员的努力，再加上i b m 、s u n 等计算机巨头的支持，l i n u x 在手机操作系统市场中 异军突起，尤其是在众多知名厂商宣布支持l i n u x 手机操作系统之后，l i n u x 的 发展将不容忽视。 由于l i n u x 具有源代码开放、软件授权费用低、应用开发人才资源丰富等优 点，便于开发个人和行业应用。这一特点非常重要，因为丰富的应用是智能手机 的优越性体现和关键卖点所在。从应用开发的角度看，由于l i n u x 的源代码是开 放的，有利于独立软件开发商( i s v ) 开发出硬件利用效率高、功能更强大的应用软 件，也方便行业用户开发自己的安全、可控认证系统。特别是当智能手机大量用 作行业应用的移动终端时，使用l i n u x 便于实施系统一体化的安全策略。 虽然s y m b i a n 已经占据智能手机市场的半壁江山，但看似势单力薄的l i n u x 操作系统，却也具有相当突出的优势。其优势表现在以下几点： 1 ) 应用于智能手机上的l i n u x 操作系统和我们常说的应用于电脑上的l i n u x 操作系统是一个系统，而且都是全免费操作系统。在操作系统上的免费，就等于 节省了产品的生产成本。 6 西北工业大学硕士论文第二章智能手机操作系统介绍 2 ) l i n u x 操作系统系统资源占用率较低，而且性能比较稳定，这都是大家公 认的。如果以l i n u x 平台的系统资源占用程度同体积庞大的w i n d o w s m o b i l e 相比， 其结果可想而知。 3 ) l i n u x 操作系统与j a v a 的相互融合，是任何一个操作系统所不能比拟的， l i n u x + j a v a 的应用方式，能够给用户极大的拓展空间。 不过，l i n u x 操作系统也不是十全十美。由于l i n u x 操作系统介入智能手机 领域较晚，采用此操作系统的手机基本只有摩托罗拉的少部分机型( 例如a 7 8 0 、 e 6 8 0 、a 7 6 8 i ) ，所以专为这些少量用户所制作的第三方软件还非常少，影响了 l i n u x 操作系统在智能手机领域内的势力扩张。代表阵营：摩托罗拉、三星、飞 利浦、海尔、中兴。 2 3 4p a l m p a l mo s 是p a l m 公司的是一种3 2 位的嵌入式操作系统，它的操作界面采用 触控式，差不多所有的控制选项都排列在屏幕上，使用触控笔便可进行所有操作。 作为一套极具开放性的系统，开发商向用户免费提供p a l m 操作系统的开发工具， 允许用户利用该工具在p a l m 操作系统的基础上编写、修改相关软件，使支持p a l m 的应用程序丰富多彩、应有尽有。 采用p a l m 操作系统的手机，其实就是“具备移动电话功能的掌上电脑”，其 操作系统和以往基于p a l m 操作系统的掌上电脑没什么区别。p a l m 操作系统最明 显的优势还在于其本身是一套专门为掌上电脑编写的操作系统，在编写时充分考 虑到了掌上电脑内存相对较小的情况，所以p a l m 操作系统本身所占的内存极小， 基于p a l m 操作系统编写的应用程序所占的空间也很小，通常只有几十k b ，所以 基于p a l m 操作系统的掌上电脑虽然只有几兆内存却可以运行众多的应用程序。 p a l m 在其它方面还存在一些不足，p a l m 操作系统本身不具有录音、m p 3 播放功能 等，如果你需要使用这些功能，就需要另外加入第三方软件或硬件设备方可实现， 这种操作方式显然比s y m b i a n 和l i n u x 相比差了很多。 智能手机领域里采用p a l m 操作系统的都是非主流厂商的惠普和三星。其代表 性的产品有p a l mm 5 0 5 、p a l mm 5 0 0 、p a l mi i i 等。 西北工业大学硕士论文第三章智能手机硬件系统介绍 第三章智能手机硬件系统介绍 3 1 智能手机硬件架构 手机设计工程师目前所要面对的关键问题之一是：应用处理器和调制解调器 要集成到什么程度，才能更好地为市场营销目标服务。为更有效地满足o e m 的需 求，手机系统设计工程师是应该采用分离元件呢，还是采用系统级芯片。对这个 问题的回答非常重要，因为在这一层面上对设计方向的选择将影响很多技术及竞 争变数，这些变数决定了在市场上取得成功的关键因素系统成本、硬件外形尺 寸、上市时间、对不同无线标准的适应性、功耗以及整体性能。在设计过程的早 期选择最佳的方法有助于使o e m 成为市场的领导者，而不是跟随者。 尽管这个问题很重要，但它并没有一个确切的答案。目前市场上每种集成程 度的方案都具有其自身的优点和缺点，o e m 必须对这些不同方案内在的折衷进行 权衡，以选择一个最能满足他们设计和营销目标的集成程度。目前有三种不同集 成程度的方案可供手机设计工程师选择。 3 1 1应用处理器和调制解调器分离 设计手机的传统方法是采用独立的应用处理器和调制解调器，每种器件也许 包含若干个处理内核。例如，在应用处理器里面有一个r i s c 内核( 如a r m 9 或a r m l l ) 用于实现高中断命令、控制以及用户接口的功能，还有一个d s p ( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 5 d s p 器件) 用于进行高度重复、数学运算量大的音频和视频处理。同样，调制解调 器可以通过a r m 以很高的效率来处理协议栈第二层和第三层，而协议栈第一层则 由d s p 来处理。 无论器件采用什么架构，它们都是完全独立的，这使系统设计工程师能够尽 量提高系统的灵活性和性能。因为相同应用处理器可以用于不同的调制解调器技 术和空中接口标准( g s m g p r s 、e d g e 、u m t s 和c d m a ) ，所以这种配置提供了最大的 灵活性。此外，它还允许o e m 选择不同的应用处理器和调制解调器供应商。 这种方案能获得最高系统性能是由于应用处理器可以使用专用资源( 存储器 和总线) ，以及在没有调制解调器带来的功率约束下采用最新的工艺技术。然而与 此同时，这种方法使设计工程师面临的工作复杂化，因为他们必须集成分离的硬 件元件，并且要开发和整合使应用处理器和调制解调器能有效进行通信的电话软 件层。因为应用处理器和调制解调器可能完全来自不同的生产商，所以由第三方 完成或提供它们之间硬件和软件的整合的机会很小。 通常与应用处理器一起提供的软件开发平台可加快整合的过程，然而对硬件 和软件的设计、整合及调试可能使整个系统的开发周期增加好几个星期。 8 西北工业大学顽上论文第三章智能手机硬件系统介绍 3 1 2 应用处理器和调制解调器集成 集成电路设计技术的最新进展允许芯片制造商将应用处理器和调制解调器集 成在一个器件里。通常情况下，这个集成的器件使用多个处理内核来完成相同的 工作，而这些工作在分离器件的配置中是由两个器件完成的。对于智能电话应用， 一个强大的a r m 处理器可以与专用的硬件加速器配合起来管理应用功能，另一个 a r m 处理器和一个d s p 则用来实现调制饵调器功能。对于功能丰富而又要求低成 本的应用，应用功能和调制解调器功能共用一个a r m 内核，而d s p 专门用于实现 调制解调器功能。 为实现更高的系统集成，t i 将o m a p 器件与电源管理器件、r f 器件捆绑在一 个芯片组内。这些器件都经过了优化，可以在一起无缝协同工作。系统设计工程 师在获得芯片组的同时，还可得到一个完整的硬件和软件参考设计，这些参考设 计可以被修改，以提供丰富功能或者实现特定设计目标。 这种方案通过允许应用内核和调制解调器内核共用内存和电源管理芯片来降 低系统成本。另外，连接应用处理器和调制解调器功能所需的逻辑也更少，这也 可降低系统成本。 在单芯片中集成应用处理器和调制解调器还可简化系统设计，并缩短产品上 市时间。从硬件角度来看，通过提供原理图和针对可制造性进行优化的布局布线 文件，使手机的p c b 设计变得容易。 从软件角度来看，这种方案不需要开发和整合连接操作系统与协议堆栈的电 话软件层。因为应用处理器和调制解调器为固定配对，所以半导体制造商能够开 发并验证电话软件以实现内核之间的有效通信。而且，半导体制造商还经常对其 参考设计进行实际电话必须通过的相同测试( 如全面型号认证、互操作性测试、运 营商现场测试等) 。提前完成这些工作可以加快产品上市，然而，这种集成度限制 了设计工程师搭配和匹配应用处理器与不同调制解调器的能力。 3 1 3 调制解调器连接到分离的多媒体加速器 这个方案是在第一种( 分离的应用处理器和调制解调器) 的基础上稍作改变。 然而，它并不包括应用处理器，因此不能使用高级操作系统，而是用调制解调器 实现基本的命令、控制及用户接口功能，用多媒体加速器使视频、音频和成像功 能的实现更加容易。 对于一个希望进入产品功能丰富而价位较低的细分市场的o e m 来说，这种方 案可能是最好的。因为多媒体加速器通常要比应用处理器便宜，而且需要的内存 资源较少，所以这种方案通常能使系统成本更低。此外，与复杂的高级操作系统 相比，软件开发可能相对简单。 当然，它的缺点就是由于没有高级的操作系统，o e m 只能提供有限的应用， g 西北工业大学硕上论文第三苹智能手机硬件系统介绍 因为这种方案无法利用大量应用程序开发者的成果，这种成果通常与主流高级操 作系统相关联。同样，由于没有专用的a r m 内核，未被多媒体加速器加速的应用( 如 游戏、电子邮件和个人信息管理( p i m ) ) 将达不到采用标准应用处理器所能达到的 性能。 3 1 4 关键的设计考虑 显然，要在这三种集成方案中进行选择，首先就要清楚地了解o e m 期望服务 的细分市场，每个细分市场通常由手机的目标功能应用和目标价格来定义。 如果目标应用是要求丰富特性的市场，其关键要求是离散多媒体性能( 特别是 对相机而言) ，而且具有很强竞争力的价格，调制解调器与一个独立的多媒体加速 器相连接可能是最佳方案。然而，随着手机不断地从单一的电话功能向手持多媒 体设备的方向发展，采用应用处理器和高级操作系统的设计将变得更加具有吸引 力。那些将手机看成能上网冲浪、打电话、玩视频游戏、看电视、听音乐、看电 影，或者同时进行其中几项的便携式娱乐系统的消费者，将需要只有通过应用处 理器才能提供的多功能和高性能特性。 如果目标应用是智能手机市场，其关键要求是能支持不同的高级操作系统， 同时能以中等价位提供良好的多媒体性能，那么把处理器和调制解调器集成在同 一块芯片里可能是最佳方案。 如果目标应用是多媒体增强型智能电话市场，其关键要求是能支持不同的高 级操作系统，同时具有出色的多媒体性能，这种产品的终端用户对价格不敏感， 因此将应用处理器和调制解调器分开可能是最佳方案。 另一个需要重点考虑的是o e m 仍在使用的系统组件的状况。如果具有丰富支 持软件的调制解调器平台仍可以很稳定地工作，o e m 可能愿意采用独立的应用处 理器或者一个没有应用处理器的加速器，以避免用内置在集成器件中的调制解调 器替换这个调制解调器平台。 尽管如此，在最终决定哪个方案最适合特定应用环境时，设计工程师必须评 估每种方案的优点。最后的选择将会是一种折衷，即设计工程师为得到一个方案 的好处而放弃另一个方案的优点。权衡这种折衷可能需要进行复杂的考虑，然而 一般而言，每种方案都有自己的优点。 3 1 5 三种系统架构方案比较 无线手持设备中的每一种集成方案都给设计工程师和o e m 带来了很多好处， 然而它们也有各自的缺点，只有对这些优缺点进行权衡，设计工程师才能针对特 定设计和市场需求选择出可能最好的无线设备解决方案。 随着消费者的需求不断发展，终端用户不断要求在现有电池寿命条件下，在 l o 西北工业大学硕士论文 第三章智能手机硬件系统介绍 紧凑的手持设备中实现更丰富的功能，这些方案的相对优势和劣势可能会发生改 变。例如，现在几乎可以肯定，基于调制解调器和多媒体加速器的设计( 不使用应 用处理器) ，将无法满足消费者对手持多媒体娱乐中心不断提高的期望。 设计工程师在制定产品线路图时应仔细考虑需求的变化。但是，目前面临的 挑战是对所有集成方案的优点进行权衡以解决是采用独立还是集成的应用处理器 的问题。 1 应用处理器和调制解调器分离的好处 ( 1 ) 灵活性：毫无疑问，将应用处理器和调制解调器分开的最大好处是可提高 灵活性。对现有的调制解调器抱有很大信心并已经投入巨资的o e m ，可以重复使 用这些调制解调器并将它们与最新应用处理器相结合。这样，在不牺牲应用性能 的情况下，o e m 能够利用以前的投资。这种灵活性也意味着可以选择不同的应用 处理器和调制解调器供应商，更重要的是，它允许应用处理器运行相同的应用软 件环境去与不同的调制解调器结合，以支持不同的空中接口标准，如g s m g p r s 、 e d g e 、w c d m a 、u m t s 和c d m a 。于是，o e m 只要开发一个平台，通过更换调制解调 器，就可以服务于对调制解调器技术有不同需求的多个细分市场和多个运营商。 应用处理器及其软件环境将保持不变。 ( 2 ) 性能：这种方法在性能上还具有明显的好处。最重要的是，芯片制造商 倾向于在独立的应用处理器中使用最新的半导体工艺技术可以比在集成器件中 采用相同工艺尺寸早一年，甚至更长时问。其原因之一是，更小的工艺尺寸会对 调制解调器的电源管理提出新的挑战，在使用独立应用处理器的情况下，电源管 理问题比较容易解决。而在使用集成器件的情况下，要想电池使用寿命达到要求， 可能要花上几个月时间来解决这些问题。因此，只要独立的应用处理器所使用的 工艺技术保持领先于集成器件所用的工艺技术，它的性能就会比高集成度的器件 更胜一筹。这种性能优势是非常重要的。 此外，使用分离的应用处理器还有独占资源的好处，例如可以独占内存和总 线资源，这样可以提高产品的性能，特别是对于像多媒体和游戏这样需要较大带 宽的应用。 2 集成应用处理器和调制解调器的好处 ( 1 ) 系统成本：这种方法的最大好处是可获得较低的系统成本。应用处理器 和调制解调器利用单芯片集成以及一种有效管理和分配内存存取优先权的技术， 共享内存资源。应用处理器和调制解调器还共用一个电源管理芯片，而在应用处 理器和调制解调器分离的设计中，各个器件通常需要专用的电源管理芯片。 基于相同原因，在单芯片中集成应用处理器和调制解调器，还可减少在系统 中用于连接不同功能的逻辑电路的数量。最后，采用集成的器件( 包括完整的硬件 和软件参考设计) 、可直接用于生产的p c b 原理图和布局布线图以及经过验证的集 1 1 西北工业大学硕士论文 第三章智能手机硬件系统介绍 成电话软件，能够比从头开始开发并集成硬件和软件更具成本效益。 ( 2 ) 功耗：这种方案所需的器件较少( 更少的内存、更少的电源管理器件以及 更少的外部逻辑) ，因为额外的器件需要额外的功率，所以采用这种方案能减少功 耗；同样，应用处理器和调制解调器的位置更接近也可降低功耗；最后，集成应 用处理器和调制解调器将允许单一的芯片提供商更有效地为整个系统进行软件优 化。 ( 3 ) 外形尺寸：集成器件包含了原来需要两个独立器件提供的功能，所需电 路板的空间比较小，这样设计工程师就能够设计出尺寸更小的无线产品。更重要 的是，它还腾出了电路板空间以安装为无线设备提供附加功能的元件。这些附加 无线电功能，例如蓝牙、无线局域网、g p s 或者电视接收器，能在不增加设备整 体尺寸的条件下很容易地集成在系统中。 ( 4 ) 开发复杂性：集成器件大大简化了手机的全部硬件和软件开发，因为它 本身就提供完整的系统解决方案。 包括电源管理和r f 在内的所有芯片组元件从一开始就被设计成能无缝协同 工作，并且在一起进行了测试和调试。完整的硬件和软件参考设计将与芯片组一 起交付使用。硬件参考设计提供可直接用于生产的p c b 原理图和布局布线图，软 件参考设计提供完整的高级操作系统基本端口，这个基本端口通过电话软件与协 议堆栈进行了集成并通过验证 在很多情况下，参考设计还通过了真实手机在被批准商用之前必须完成的测 试，包括( 但不限于) 全面型号认证( f t a ) 、互操作性测试( 1 0 r r ) 、运营商现场测试、 稳定性测试以及一致性测试。这样，硬件和软件上的问题在早期阶段就可被发现 并改正，否则o e m 将不得不去做这些工作。 ( 5 ) 产品上市时间：因为集成器件通常在芯片组内集成了电源管理和r f ，并 与已经过预测试和预验证的硬件和软件参考设计一起交付，整个系统的开发时间 可大大缩短。开发时间的减少有助于o e m 早日将有新功能或者最新一代的无线设 备投入市场。 3 调制解调器与独立多媒体加速器组合的好处 ( 1 ) 成本：正如前面所述，采用这种方案的系统成本远远小于采用应用处理 器的系统成本。在芯片层面上，多媒体加速器通常比应用处理器便宜，因为它只 是用来执行应用处理器的一部分功能。另外，它需要的内存较少，因而从系统的 角度来考虑，其价格也便宜些。 ( 2 ) 多媒体性能：通过将调制解调器与多媒体环境分离，这种方案可以更容 易地利用最先进的多媒体技术。新的强大的多媒体技术一旦被开发出来，就可以 立即应用到多媒体加速器中，并与现有的调制解调器相结合。这种方案能比采用 应用处理器的方案( 与调制解调器分开或者集成) 更快地将出色的多媒体功能推向 西北工业大学硕士论文 第三章智能手机硬件系统介绍 市场。采用应用处理器的方案通常将多媒体功能集成在应用处理器中，因此当需 要增加新的多媒体技术时，整个应用处理器需要重新设计。 ( 3 ) 灵活性：由于将应用处理器和调制解调器分开，这种方案可以灵活地将 任何一种调制解调器与一个给定的多媒体加速器结合起来，因而能满足采用不同 调制解调器技术的多个细分市场和运营商的需求，同时保持相同的多媒体环境不 变。然而，就能支持的软件环境和应用来说，它显然还不够灵活。 3 1 6 结论 通过以上比较，在本产品设计中，系统架构选用“应用处理器和调制解调器 分离”的方案，即“应用处理器+ 基带处理器”的双c p u 架构。首先该硬件平台 具有足够的通用性、灵活性和可扩展性，可以方便地与其他公司的其它产品进行 互通和互连。其次，更为重要的是，只要通过更换基带处理器及外围模块，比如 换成3 g 模块，就能够平滑过渡到3 g 的应用上去，而软硬件都不需要做重大的改 动。 3 2 应用处理器的选择 3 2 1 关键因素考虑 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有： 1 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部