双核处理芯片MSM7227在智能手机中的应用与研究

1、双核处理芯片双核处理芯片 MSM7227MSM7227 在智能手机中的应用在智能手机中的应用与研究与研究 学学 校：校：院院 系：系： 班班 级：级： 学学 号：号： 工程硕士生工程硕士生： 工程领域：工程领域： 导导 师师： 导导 师师： 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海交通大学电子信息与电气工程学院The Research and Application of Dual Processor chip MSM7227 in Smart Phone Author： Specialty: Advisor : Advisor : School of Electronics and Elect

2、ric EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai, P.R.ChinaApril 20, 2010上海交通大学上海交通大学学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密不保密。（请在以上方框内打“” ）学位论文作者签

3、名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海交通大学工程硕士学位论文 摘要I双核处理芯片双核处理芯片 MSM7227MSM7227 在智能手机中的应用与研究在智能手机中的应用与研究摘摘 要要关键词：关键词：MSM7227，手机，功耗，硬件上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACTIIThe Research and Application of Dual Processor chip MSM7227 in Smart PhoneABSTRACTKEY WORDS MSM7227, smartphone, power consumption, hardware上海交通大学工

4、程硕士学位论文 符号说明III符号说明Abbreviations缩略语缩略语Full spelling英文全名Chinese explanation中文解释BBModem baseband基带处理器APApplication Porcess应用处理器BSPboard support packet板级支持包 注：在此缩略语按字母顺序排列，并非按文中出现顺序排列。上海交通大学工程硕士学位论文 目录IV目目 录录 摘摘 要要 .I IABSTRACTABSTRACT .IIII符号说明符号说明 .IIIIII第一章第一章 引言引言 .1 11.1 背景及问题的提出.11.2 国内外研究现状.11.3

5、 研究的目标及其主要的内容.5第二章第二章 系统架构的设计与分析系统架构的设计与分析 .6 62.1 传统架构.62.2 多核单处理器架构.72.3 多媒体处理器+调制解调器架构.82.4 本章小结.8第三章第三章 应用处理器及周围电路的设计应用处理器及周围电路的设计 .9 93.1 处理器的内部资源.93.2 电源与时钟.103.2.1 电源状态.103.2.2 时钟电路.123.2.3 上电时序.133.2.4 电源管理芯片.153.2.5 充电管理.173.2.6 开关机电路.183.3 存储器.193.3.1 DDR 内存 .193.3.2 数据闪存.213.3.3 频率、电压与功耗.

6、243.3.4 MCP 存储器.253.4 通用功能输入输出接口.263.4.1 多功能端口.263.4.2 中断与唤醒.283.4.3 通用异步串行通信接口.303.4.4 多媒体存储卡接口.323.4.5 同步串行外设接口.343.4.6 I2C 总线接口 .343.5 多媒体功能接口.36上海交通大学工程硕士学位论文 目录V3.5.1 显示控制器.363.5.2 音频控制器.373.5.3 摄像头控制器.393.5.4 键盘控制器.403.6 传感器与节电功能.413.7 灯光效果与功耗.413.8 本章小结.41第四章第四章 无线接入模块的应用与设计无线接入模块的应用与设计 .4343

7、4.1 移动通讯模块.434.2 蓝牙和无线局域网设备.454.3 无线广播接收功能.474.4 本章小结.47第五章第五章 总结与展望总结与展望 .49495.1 本文工作回顾.495.2 成果及意义.495.3 存在的问题及进一步的工作.49参参 考考 文文 献献 .5050附录附录 1 1 处理器时钟变换通路处理器时钟变换通路.5252附录附录 2 2 处理器各部分电压域的电源分配表处理器各部分电压域的电源分配表.5353致致 谢谢 .5555作者攻读学位期间发表的论文作者攻读学位期间发表的论文 .5656上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言1第一章第一章 引言引言1.1 背景及问

8、题的提出背景及问题的提出根据 IDC 的一份报告，智能手机的出货量目前正持续高速增长，2006 年第一季度的出货量增长了 67.8，出货量达到 1890 万台，去年同期为 1130 万台，比去年第四季度的 1740 万台增长了 7.5。而来自美国市场研究机构 In-StatMDR 的也预测，未来五年内智能手机的销货量年增长率将超过 44%，特别是随着全球 3G 市场的兴起，可以看电视、下载音乐、视频通话的智能手机将大行其道。作为 3C 融合到一个终端典范的智能手机，除了实现通讯功能外，还可以实现很多计算机和消费电子产品的功能，而且体积小，具有便携性和多功能性的双重优势，通过安装应用软件后，能随

9、时随地的满足不同消费者的差异化需求，因而具有其他产品不可替代的独特优势。IC 技术的进步为智能手机的研发实现提供了可能，为了缩短产品设计周期而存在先进 SOC 设计理念，65nm 乃至更窄线宽制程技术，BGA、CSP、MCP 和 SI 先进封装技术和理念都为智能手机的技术进步、功能实现和性能提升提供了强有利的支撑。 3G 即将启动，带宽的显著提升，为智能手机的许多新功能流畅实现、性能提升提供了强有力的保证。如拥有 DMB（数字多媒体广播）功能的智能手机在 2G 和2.5G 上很难实施，即使实施，效果也会差很多，画面清晰度、播放流畅性都令人质上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言2疑，而这一

10、切在 3 G 网上都不是问题。智能手机正面临着前所未有的发展机会和便利，随着消费者认知程度的提高和使用习惯的养成，智能手机在整个手机市场销售份额将显著提升，智能手机 WDA 论坛某专家指出,未来 5 年内，智能手机将会从目前的 6%左右提升到 20%以上，伴随而来的将是智能手机产业链各个环节的巨大商业机会。常见的智能手机平台有 marvell 公司的 PXA270/PXA310, TI 公司的OMAP1510/1590, 三星的 S3C2440.另外高通也在 08 年初推出第一代 MSM7200 芯片用于实现智能手机方案（单芯片方案,使智能手机外型能做的更薄更小） ，在此基础上推出低成本智能手

11、机芯片组 MSM7227，是专为移动宽带（WCDMA）智能手机降至 200美元以下，让更多用户可以使用智能手机而设计。MSM7227 芯片组支持当前最流行的包括 WindowsMobile 和 linux 操作系统，该芯片组通过以下多种硬件及软件功能，拓展一系列诸如音视频，voip 及游戏等新的服务。但是随着功能的增多，在功耗和体积方面都面临着全新的挑战。目前市场上的智能手机一般不具有上面提到的全部功能。我们的主要目标就是在实现这些功能的同时，做好功耗和体积的优化。便携式系统对电源系统的性能、功耗、保护及 IC 尺寸等方面都提出了全新的要求。产品需要向处理器、存储器、显示器和其它部分提供不同的

12、工作电压，以减少处理器消耗的电量，延长电池的运行时间，并提高电池的供电效率。优化便携式系统的电池寿命对系统设计师来说是重大的工程设计挑战。系统设计师必须理解每个元件的功耗、功率状态和相关的时序问题，从而优化系统功率。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言31.2 国内外研究现状国内外研究现状智能手机(Smartphone)，是指像个人电脑一样，具有独立的操作系统，在满足传统语音通信的同时还具有 PDA 等大部分功能,可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入并实现个人信息管理以及基于无线数据通信的数

13、据、语音和图像服务的功能.智能手机硬件系统需要一个应用处理器(AP),通过应用处理器运行嵌入式操作系统并处理本地多媒体及个人数据业务等.故智能手机硬件系统一般都是 AP+modem BB 芯片组组成(俗称”双 CPU”解决方案),随着芯片高度集成发展,将 AP 和 BB 集成在一个芯片上,有利于智能手机低成本控制和硬件设计简化,据此智能手机硬件系统方案可分为 AP 方案和 CP 方案. AP 方案:在 Future phone 的基础上,将其简化成 Modem,然后增加一个 AP,同时手机的输入输出设备全部由 AP 控制,从而组成类似的”双 CPU”方案.这种方案简洁灵活,AP 侧所有受其控制

14、的外设可以通用化,通过切换不同 Modem 或 Modem 组合而实现不同通讯制式智能手机或双模制式智能手机.BB 实现基于无线通讯技术的语音和数据通讯功能，相当于无线网卡。AP 专用于处理高负荷的多媒体应用，二者之间的通信靠消息传递实现。该架构可以灵活的应用不用制式的无线通讯接入技术，而无需修改多媒体应用部分的软硬件设计。当应用处理器的性能不能满足的需求而进行升级时，在软件方面的修改也仅仅包含了 BSP 等驱动部分。有效消除了由新应用的软件缺陷引起基带处理器失效的风险。占用较多处理器资源的多媒体功能应用程序上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言4可以在应用处理器上执行，现有的大部分代码和

15、电路只需稍加修改就可重复使用，因而开发者可以将精力集中于开发新的应用程序，其应用程序只需在应用处理器上开发和调试。CP 方案：将 ARM7/ARM9，ARM9/ARM11，双 DSP 集成在一个芯片上（4 芯合一） ，该方案集成度高，设计简洁。该架构既能扩展应用性能又能适应通信技术的变化；将所有的处理和外设功能集成在单一芯片上，可以他降低手机的功耗，减少所需物料从而降低制造成本和硬件测试成本。就目前的技术情况看来，多处理器内核系统架构将成为日后发展的主流。因为它具有更高的集成度，更低廉的价格,更有利于手持终端设备的小型化。智能终端类应用服务器竞争非常激烈，目前主要有Marvell、Motoro

16、la、TI、AMD,而 QUALCOMM 的加入使竞争达到了白热化.经过多年的发展在技术层面上已经基本统一到 ARM 系列。TI 是移动通信终端领域事实上的霸主，Nokia 公司每年 80%的解决方案都来自TI。TI 的 OMAP 平台提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能，可以极低的功耗为高端 3G 无线设备提供较高的性能。TI 的 OMAP 处理器支持当前流行的多种操作系统，无需任何新的编程技能便可提供无缝访问其高性能 DSP 算法的能力。龙珠（DragonBall）系列处理器是 Motorola 推广的“Digital DNA”数字产品解决方案的核心，曾经是世界上应用最广泛的 PDA

17、微处理器。它具有功耗小、成本低的优势，但其处理器构架限制使得主频和性能无法大幅度提高。为了提高处理器性能，适应 PDA 在多媒体应用方面的需求，Motorola 也转向了 ARM 架构，推出了具有更高主频的 i.MXL 系列处理器。Au1100 是 ALCHEMY 公司为 AMD 开发的首款嵌入式处理器，支持 MIPS32 指令集，上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言5运行频率为 333-500 MHz，依然保持了 ALCHEMY 产品功耗低的特点。在 400 MHz 频率下，其功耗不超过 250 mW，工作在 500 MHz 的时候功耗为 500 mW。从整体来看，Au1100 确实是

18、目前一款比较出色的嵌入式处理器。Intel 是应用处理器领域的新军，依靠其在 PC 市场的强大影响力，强力进入智能终端市场，利用其强大的芯片研发和制造实力，大力发展 Stack 技术，推出更高集成度芯片，并在处理器上堆叠 FLASH、DDR SDRAM 技术，同时大力发展 IPP 等MMX 指令以提高多媒体能力。在 Marvell 合并了 Intel 应用处理器业务后，推出的Xscall 系列处理器已经成为业界主流，是现今厂商采用最多的 CPU。Xscale 采用了ARM 最新的指令集，目前最高频率达到 806 MHz。由于特殊的使用范围，Intel 在Xscale 中整合了类似传统计算机中南

19、北桥芯片的功能，并且提供了包括 MMC/SD/CF及 USB 控制等丰富的接口支持，是目前最好的整合处理器。以上几款智能手机处理器，从性能、价格、功耗等各项指标来看，各有所长，有些甚至是不相上下，但从目前的发展趋势看，毋庸置疑 Intel Xscale 在未来几年内仍将占据智能手机处理器的主流。目前，智能手机的操作系统市场被 Symbian、Windows Mobile、Palm 以及Linux 四大操作系统瓜分，处于多足鼎立的状态。它们的共同特点是开放性较好，便于第三方软件的移植。 Windows Mobile 系列操作系统是在 Windows 操作系统上变化而来的。Windows Mobi

20、le 系列操作系统具有功能更强大，多数具备了音频、视频文件播放、上网冲浪、MSN 聊天、电子邮件收发等功能。支持该操作系统的智能手机多数都采用了 Intel嵌入式处理器，主频比较高，处理能力强。另外，采用该操作系统的智能手机在其它硬件配置（如内存、存储卡容量等）上也比采用其它操作系统的智能手机要高出上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言6许多，因此性能比较强劲，操作起来速度较快。但是，此系列手机也有一些缺点，如因配置高、功能多而耗电量大、电池续航时间短、硬件成本高等。Symbian 操作系统提供了灵活的应用界面框架，不但使开发者得以快速掌握必要的技术，同时还使手机制造商能够推出不同界面的产

21、品。Symbian 系统手机可以采用多种应用界面形式：通过键盘进行输入类手机，使用手写笔进行操作类手机，既有键盘又有触摸屏的手机。不同的输入方式和外观设计会对各款手机的主要用途产生很大的影响。 Palm 手机操作系统一直遵循“Less is More”这一理念去设计，其与微软所推出的操作系统要占有大量的系统资源和存储容量不同，它本身所占内存极小。基于 Palm 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 KB，所以基于Palm 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，但其功能就没那么多。最近 Palm 也似乎越来越倾向提供丰富的功能， “少就是多”的设计理念逐步削

22、弱。另外，对于中国用户而言，它有一个不足之处，起初在中国销售的产品要使用中文外挂平台，有相当部分依然是以英文界面为主，在一定程度上影响了基于 Palm 操作系统的产品在中国市场的大面积推广。目前，基于 Palm 操作系统的手机有三星 SPH-i330、Handspring Treo 650 系列等。 Linux 手机操作系统与 Windows Mobile 系列操作系统一样，Linux 手机操作系统由计算机 Linux 操作系统变化而来。Linux 是一套免费使用和自由传播的操作系统，它支持 32 位和 64 位处理器，在计算机领域中，主要用于配备 Intel x86 系列CPU 的计算机，在

23、手机领域中，较具代表性的产品有摩托罗拉 A768。Linux 具有稳定、可靠、安全等优点，具有强大的网络功能。在相关软件的支持下，可实现WWW、FTP、DNS、DHCP、E-mail 等服务。Linux 源代码开放，这一特点有利于独立软上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言7件开发商（ISV）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，Linux 在手机操作系统市场中也异军突起，成为一股不容忽视的力量。终端厂商已经开始尝试选择多种操作系统，对于不同市场定位的智能手机产品，手机厂商所选择的操作系统也有所

24、不同；虽然国内操作系统只是刚刚起步，也只有少数的厂商尝试采用国内自己的操作系统 HOPEN、DOEASY。但在国家政策的扶持倾斜下，未来国内操作系统也将会有较大的发展空间。在市场稳定快速增长的同时，中国智能手机市场将呈现五大发展趋势：多媒体和移动应用需求的上升，将成为市场发展的主要动力；PDA 功能类和开放程度高的操作系统产品，将是手机产品的发展趋势；产品持续大幅度降价和价格竞争趋于激烈，将是产品价格发展的趋势；渠道形式多样化和手机渠道仍占主流，将是产品渠道发展的主要趋势；差异化售后服务和个性化增值服务，将成为产品服务发展的趋势。1.3 研究的目标及其主要的内容研究的目标及其主要的内容PXA3

25、xx 系列的 PXA310 处理器最高工作频率可达 624MHz，满足多任务处理的需求，提供更优质的网页浏览、文件处理等应用处理能力。Intel 的 SpeedStep 技术可以通过软件和硬件动态调整工作电压与工作频率，有效提高电池在使用视频、音频播放功能以及其它各种应用时的续航能力。采用 90nm 工艺，有效降低功耗和成本，提高产品的市场竞争力。PXA310 处理器在多媒体处理方面采用硬件加速，最高可以支持 VGA （640480） 的编解码处理。同时支持 H.264、MPEG-4、H.263、MPEG-上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 引言82、和 Microsoft WMV9 等格式

26、。支持 3G 视频同步编解码技术。处理器安全模式提供了从客户、制造商到提供商的多种安全保护功能。有效提高手机等产品的知识产权自我保护能力。处理器提供了丰富的硬件接口，可以满足各种应用的需求。支持多种 Flash 包括 Nand、Nor 和 VLIO 设备，采用 16 位 DDR 随机存储器最高频率可达260MHz。内部 64 位高速总线交换和多通道技术使得处理速度更快。26MHz 的MMC（MultiMedia Card）/ SD（Secure Digital Memory Card）接口 3 个、3.6Mbps的 UART（Universal Asynchronous Receiver/Tr

27、ansmitter）接口 3 个以及 26M 的SSP（Synchronous Serial Port）接口 4 个方便连接各种外部设备。专用 LCD 接口和摄像头接口支持多种类型的 LCD 和 Camera 设备。多达 128 个 GPIO （General Purpose Input Output）接口可灵活使用，满足各种设备的控制需求。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 学术论文及其的作用9第二章第二章 系统架构的设计与分析系统架构的设计与分析随着计算机技术的发展，手机的硬件架构也在不断的进步。从传统的单一内核处理器系统架构逐步发展到了多处理器内核系统架构，并且衍化为两个不同的分支多核

28、单处理器系统架构和多处理器系统架构。其主要区别在于手机通讯协议的处理与多媒体等应用功能的实现的分工方式不同，前者通过处理器内部不同的内核来完成，后者通过不同的处理器来完成。2.1 传统架构传统架构单一内核处理器系统架构是使用单一的高性能内核处理器，既处理通信协议又实现应用功能的手机架构模式。图 2.1.1 单一内核处理器的手机硬件系统架构如图 2.1.1 所示，单一内核处理器的手机系统的特征在于基带处理器及需要处理操作系统相关的人机交互以及根中应用程序，又处理通信相关的信号处理以及各种通信协议的处理。基带处理器成为了整个手机硬件系统核心器件。存储器包括内存和闪存，保证处理器程序运行和数据存储。

29、电源管理模块提供系统所需要的不同电压和开关控制。处理器连接了多媒体电路，实现了基本的人机交互功能。包括通话、音乐和视频应用中语音和音乐的输入和输出；用户对于手机的操作所需要的键盘、触摸屏等模块；手机对于环境各种状态的响应所需要的不同传感器。扩展接口包括扩展存储设备如 T-Flash、用户 ID 识别的 SIM 卡、USB 接口以及蓝牙等短距离上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 学术论文及其的作用10无线接口。传统的架构主要受制于功耗方面的挑战和所需软件复杂性带来的一系列问题。采用这种单一内核芯片系统架构的手机，若要增加新的通信功能或新应用功能，需要升级基带芯片以获得更强的 CPU 能力，并在

30、基带芯片上编写和执行新应用程序1。基带部分的代码要移植到新的芯片中，现有的功能需要重新验证。此外，对这种单芯片架构来说，程序代码的规模将非常大而且很复杂。若升级到一个更高性能的内核意味着必须重新编写和测试代码，从而使开发过程大大延长，增加开发成本。软件是手机开发主要的耗时因素，软件开发和测试对手机供应商来说是个关键问题。使尽可能多的代码得到复用，定制和修改工作对系统其它部分的影响要尽可能的少，这两点至关重要。2.2 多核单处理器架构多核单处理器架构多核单处理器系统架构从形式上看其硬件架构组成以传统架构没有区别。最主要的不同就在于多个不同处理器内核的手机架构一般是将两个不同的处理器内核集成在单一

31、芯片上，一个主要用来处理通信功能，另一个主要用来处理多媒体应用。该架构既能扩展应用性能又能适应通信技术的变化；将所有的处理和外设功能集成在单一芯片上，不仅可以降低手机的功耗，减少所需物料从而降低制造成本和硬件测试成本。一般而言的双核处理器都是简单地将两个物理内核叠加在一起，这必然带来晶体管数量的大幅度增加，造成的直接后果就是由泄漏电流引起的功耗大幅度增加，就算是采用了节能技术其发热量也居高不下，从而导致双核心处理器相对于单核心处理器而言频率提升更加困难。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 学术论文及其的作用11而且由于目前的制造工艺的限制，双核处理器的良品率要比单核心处理器的低，这必然会带来

32、成本的居高不下，所以目前的双核心处理器的价格都太贵了，距离普及还差得很远。当然，随着处理器核心架构和制造技术的发展，今后必然会解决目前所遇到的问题此外，随着第二核心的出现，对内存与 I/O 带宽的资源将会出现争夺，如何解决好这个问题是双核处理器的性能的关键问题之一。但是，不论控制器如何的优化都无法达到，两个独立的处理器所能产生的效率。2.3 多媒体处理器多媒体处理器+调制解调器架构调制解调器架构基带处理器+应用处理器的系统架构是将基带处理器工作和应用处理器工作分开。基带处理器实现基于无线通讯技术的语音和数据通讯功能，相当于无线网卡。应用处理器专用于处理高负荷的多媒体应用，二者之间的通信靠消息传

33、递实现。该架构可以灵活的应用不同制式的无线通讯接入技术，而无需修改多媒体应用部分的软硬件设计。当应用处理器的性能不能满足的需求而进行升级时，在软件方面的修改也仅仅包含了 BSP 等驱动部分。有效消除了由新应用的软件缺陷引起基带处理器失效的风险。占用较多 CPU 资源的多媒体功能应用程序可以在应用处理器上执行，现有的大部分代码和电路只需稍加修改就可重复使用，因而开发者可以将精力集中于开发新的应用程序，其应用程序只需在应用处理器上开发和调试。图 2.3.1 多媒体处理器+调制解调器架构框图上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 学术论文及其的作用122.4 本章小结本章小结就目前的技术情况看来，基带

34、处理器+应用处理器的系统架构和多内核处理器系统架构各有优势。前者对于上游技术开发的依赖性较小，在整个研发过程中更灵活，软硬件研发成本更低；后者具有更高的集成度，更有利于手持终端设备的小型化。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作13第三章第三章 应用处理器及周围电路的设计应用处理器及周围电路的设计PXA3XX 系列处理器是专门为手持设备、GPS 定位系统和其他消费类电子设备而设计的。在手机的设计中应用 PXA310 可以实现高性能和低功耗的优化组合方案。Marvell 提供了“SpeedStep”专利技术，通过动态调整内核电压，提高电池的利用效率和延长电池的使用时间。同时处理器能

35、在 208MHz 到 624MHz 之间自动调整，实现不同应用场合处理能力的调整，可以最大程度的减少功耗。3.1 处理器的内部资源处理器的内部资源处理器通过两组 64 位内部高速数据总线，连接了各功能模块。如图 3.1.1 所示：图 3.1.1 PXA3XX 处理器的内部架构处理器内核通过存储器开关阵列连接系统总线和各存储器设备包括ROM、SRAM、SDRAM 和 FLASH。系统总线共有两条，系统总线 1 连接闪存控制器、摄像头控制器、LCD 控制器，系统总线 2 连接 2D 图像处理器、视频硬件加速器，USB2.0控制器。外设总线也有两条，通过 DMA 控制其和总线开关与系统总线互联。外设

36、总线 1 连接 GPIO 控制器、2 个 MMC 控制器、USIM-1、AC97 接口、标准 I2C 接口，外设总线 2 连接 USIM-2、1 个 MMC 等其它外部设备。此外还有时钟和电源管理等相对独立的模块通过专用线路连接到各部分电路。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作143.2 电源与时钟电源与时钟PXA310 多媒体处理器内部的时钟和电源管理单元主要分为服务单元和应用子系统单元。服务单元中的时钟控制单元（SCCU）和电源管理单元（SPMU）协同应用子系统单元中的时钟控制单元（ACCU）和电源管理单元（APMU） ，实现不同工作模式下的时钟和电压域的转换，来管理整个处

37、理器的功耗。通过电源管理程序保证处理器在各种工作状态下都能在处于最优的处理速度的同时实现最小的电源功耗。3.2.1 电源状态电源状态处理器定义了多种电源状态，不同的电源状态对硬不同的工作状态，保证了在复杂的应用环境下，处理器都处于最优的工作状态，即保证满足当前工作需要的处理速度又保证最小的功率消耗。处理器的电源状态主要由服务单元（S 状态） 、应用子系统（D 状态）和内核（C 状态）决定。每一种电源状态对应了不同的工作时钟和电压域，不同的 S/D/C的状态组合都对应一种电源状态。S 状态有 4 种：S0 表示正常运行状态，所有内部和外部电源上电，内部时钟可以运行；S2 表示应用子系统的部分大电

38、压域包括内核电压可以关断，所有的时钟停止工作，其中 SPMU、APMU 和 RTC 除外；S3 表示所有内部电源关闭，所有时钟停止工作，其中 RTC、SPMU 和 32KHz 晶体除外；S4 表示处理器断电，没有备用电池电压，所有时钟和电压关闭。D 状态有 5 种：D0 表示正常运行状态；D1 表示处理器内部除 SRAM 和 LCD 控制器以外，所有外部设备的控制器都处于非活动状态，相关时钟停止工作；D2 表示内上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作15核、外部设备和 LCD 处于状态保持的休眠，SRAM 可保持状态或者关闭，除 APMU 外所有时钟关闭，电压保持不变；D3 表示

39、 SRAM 可选，内核与外设关闭，BPMU 运行其余电压关闭，32KHz 时钟和 APMU 运行其余时钟关闭；D4 表示完全关闭状态。C 状态有 4 种：C0 表示内核上电；C1 表示内核时钟关闭；C2 表示内核电源关闭，于状态维持模式；C4 表示内核电源关闭，状态不保持。图 3.2.1 给出了不同电源状态组合之间的变化过程，标明了进入和退出各种电源状态所需操作的寄存器和唤醒源。图 3.2.1 电源状态运行模式（S0/D0/C0）：处理器处于完全运行状态，根据不同的应用需求，处理器内核可以在 104MHz 到 624MHz 之间以不同的主频速度运行。动态的频率控制可以使其在不影响运行效率的情况

40、下改变工作频率至最优。任何电源状态都可以直接进入运行模式。内核空闲模式（S0/D0/C1）：处理器通过关闭内核时钟和保持内核状态数据的方式实现节电，此时其他部分可以正常运行。显示刷新模式（S0/D1/C2）：介于空闲模式与待机模式之间。区别在于相比待机模式 LCD 有图像显示，且保持当前画面数据的刷新。内核与其它外围模块处于非工作状态，但保持各种状态参数，可以快速恢复运行。待机模式（S0/D2/C2）：内核与外围模块处于非工作状态，但保持各种状态参数，可以快速恢复运行，LCD 关闭以减少功耗，SRAM 状态根据需要可选择是否保持。睡眠模式（S2/D3/C4）：内核与个部分设备模块断电，I/O

41、接口保持电源与状上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作16态，保证与外围电路的互联不会出现异常情况。SRAM 状态根据需要可选择是否保持。除系统时钟与应用电源管理单元外，所有的时钟完全关闭。处理器可通过预设的各睡眠唤醒事件重新进入运行模式。关机模式（S3/D4/C4）：除备用电池电源外所有电源关闭，除 32KHz 以外所有时钟关闭。此时处理器可以通过外部唤醒端口 WAKEUP0 或复位端口 RESET 再次进入运行模式。掉电模式（S4/D4/C4）：说明系统没有电源供应，包括主电池和备用电池都不在位或电压低于硬件启动需要。当后备电池产生上升沿并且达到阈值后，处理器便进入启动流程，

42、即开始正常的上电时序。3.2.2 时钟电路时钟电路处理器的通过两个时钟协同工作，以达到节电的效果。慢时钟使用 32KHz 频率的晶体，提供处理器睡眠状态下的时钟需求。快时钟使用 13MHz 频率的晶体，通过内部的时钟变换电路，提供各部分设备运行所需的不同时钟频率。各部分时钟频率以及变换详情可以参考附录：处理器时钟变换通路。每一路时钟有 3 个外部接口 Pin 脚，PXTAL_IN、PXTAL_OUT 提供 13MHz 晶体起振，TXTAL_IN、TXTAL_OUT 对应 32KHz 晶体，同时提供 13MHz 时钟和 32KHz 时钟输出，一共六个 Pin 脚。图 3.2.2 13MHz 晶体

43、谐振电路本课题所研究的智能手机设计的时钟电路如图 3.2.2 和图 3.2.3 所示。13MHz时钟采用频率稳定度 +/-10ppm 的贴片晶体谐振器，跨接 10Mohm 的负载电阻，预留上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作17两个旁路电容。处理器内部的 RTC 电路由于生产工艺的原因存在缺陷，即当后备电池电压小于 2.0V 以下时，必须使后备电源管脚放电到 0V 之后，再升压到后备电池标称的 3.0V，RTC 电路才能重新正常起振，因此使用 32KHz 晶体提供睡眠时钟时，存在手机时间发生异常的风险，且不可恢复。为了解决这个缺陷，设计可以采取两种方案，一种是 32KHz 时钟

44、采用外部 RTC 时钟 IC。另一种是采用 32KHz 晶体，同时增加二极管放电电路。通过实际的比较发现增加放电电路相较于外部时钟的方案需要更多的布局面积。图 3.2.3 32KHz 外部 RTC 时钟电路这里选用的时钟芯片为 S-35392A，外接 32KHz 晶体，处理器通过 I2C 接口进行控制、设定和读取时钟信息，电路通过时钟输出与处理器的 TXTAL_IN 相连，提供1.1V 的偏置电压以满足 TXTAL_IN 的输入偏置要求。后备电池对时钟芯片直接供电通过肖特基二极管与处理器备用电源管脚相连，在提供后备电池充电功能的同时阻断了后备电池对于处理器的影响。时钟电路提供了一路中断信号以支

45、持处理器的定时唤醒功能（关机状态下的闹钟功能） 。3.2.3 上电时序上电时序处理器的外部电源接口主要包括是通讯接口、复位与使能部分和电源输入部分。通讯接口采用 I2C 总线方式。处理器内部共有两路 I2C 控制器，一路为电源 I2C 接口，专用于电源管理通讯使用，另一路为普通 I2C 接口，用于其他 I2C 接口设备的通讯。系统复位 nRESET 属于硬件复位，当系统复位由低变高之后，处理器无条件的进入复位流程。GPIO 复位属于软复位，除关机和掉电模式以外，都会引发处理器的上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作18复位。与系统复位的差别在于不会产生新的上电时序而只是重置代码使

46、应用程序重新有起始地址开始运行。复位输出信号发正在系统使能之后，以提供外围电路或芯片与处理器同步复位。电池在位检测信号用于检测主电池的工作状况，以保证整个供电网络处于正常状态。电源使能（PWR_EN）和系统使能（SYS_EN）都是对外部电源的控制信号，由于处理器的上电时序的需要，电源使能和系统使能先后给出，以保证系统运行的稳定性。电源接口主要包括以下这些电源域：后备电源 BBAT、时钟电源（环路振荡器 MVT、带通滤波器 BG、相同步逻辑 PLL 和晶体振荡器 OSC13M） 、处理器内核 APPS、静态存储器 SRAM、外部存储器 MEM、外部闪存 DF、显示屏 LCD、设备接口 IO1/I

47、O3/MSL、CARD1、CARD2、USB、并行 USB 设备接口 ULPI 和照像设备CI。图 3.2.4 处理器的上电时序处理器的上电时序如图 3.2.4 所示。首先后备电源 BBAT 必须总是保持高电平，这路电源维持处理器内部常开电路的运行，包括 RTC 电路、电源时钟服务单元和内部 DCDC 电路。然后复位信号产生上升沿并保持高电平，处理器进行复位开始上电流程。上电的过程中处理器先检测电池在位信号是否为高电平，这表示电池电源可以正常供电。在使用电源管理芯片为各电源域供电的情况下，该信号由电源管理芯片产生，表明可以正常供电。然后处理器给出第一个使能信号，打开时钟相关的电源、IO 接口和

48、外部存储器电源。这里处理器的时钟电路必须先于其他部分开始运行，以保证在其他模块启动以后时钟信号可以达到一个比较稳定的状态。因此时钟电路的上电须早于其他各路电源。第二个使能信号打开处理器内核电源和静态存储器电源，上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作19同时通过 I2C 接口对各路电源的电平值进行配置来满足设计所需要的状态。电源使能之后系统使能之前，处理器会发出外部复位信号，对相关外围电路进行复位。3.2.4 电源管理芯片电源管理芯片电源管理芯片选用 MAX8660，芯片有 4 路 DC-DC 输出、3 路 LDO 输出和 1 路常开的 3.3V LDO 电源输出。其中两路动态可调

49、的 DC-DC 提供处理器内核与内部静态存储器，另两路 DC-DC 提供 IO 接口、外部存储器和其他外部设备。所有的 DC-DC 输出都采用 2MHz 的 PWM 开关，和少量的外围器件。芯片能够自动切换 PWM 模式和高效轻负载模式，有效减少工作电流，延长待机时间。在 PWM 模式下，芯片支持所有负载情况下的低噪声工作。除电源转换功能外，芯片还提供了 I2C 接口可软件控制各路电源输出的电平以及开关状态、电池电压的低电检测功能以及复位信号输出功能。当电池电压输入超过 7.5V 时，芯片进入保护状态，自动切断电池供电，以保护系统不会损坏。DCDC 开关电源降压电路相较于线性 LDO 电源，具

50、有更高的效率，可以做到更大的电流。在目前单板设计中有很广范的应用。电源管理芯片的电源输出总共有 8 路，其中 V1 到 V4 为 DCDC，V5 到 V6 为LDO。而处理器的电源域有十多种，如果需要一对一进行供电，显然是不可行的。因此这里的设计，需要考虑处理器各部分电压的上电时序、相互关系以及工作电平等方面的因素，进行合理的分配。V1 的默认输出电压值为 3.0V，另有 3.3V 和 2.85V 两档可选的输出。系统使用默认输出 3.0V。V1 的驱动能力可以达到 1200mA 电流，主要用于大部分外围设备和与之相对应的借口电压匹配供电。V2 采用 1.8V 电压输出，驱动能力为 900mA

51、。效率上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作20与 V1 拥有相同的 96%最高电源转换效率。设计中主要用于外部存储器的供电，包括内存 DR 和硬盘 Flash。V3 和 V4 是两路精度为 25mV 的可调的 DCDC 电源转换输出（0.725V 到 1.8V，默认输出 1.4V） ，用于处理器的内核与内部静态存储器。配合处理器的不同的工作状态，可以方便的调节供电电压，使得电源在内够满足处理器相关内部电路工作需要所需的电压的情况下，提供较低的电平值，以达到节省功耗的目的。V5 为 1.7V 到 2.0V 可调输出，默认 1.8V，是电源关系芯片上电延时最短的电源输出，即在同时给

52、出硬件上电使能信号的情况下 V5 比其它 6 路（V8 为常开状态）更早达到稳定电平。从前面的上电时序的要求来看，V5 适用于内部时钟相关的处理器电路，包括环路振荡器 MVT、带通滤波器 BG、相同步逻辑 PLL 和晶体振荡器OSC13M。V6 和 V7 为 1.8V 到 3.3V 可调输出，精度 0.1V，驱动能力 500mA。手机中使用的芯片主要有 1.8V 和 3.0V 两种电平。这里采用 V6 提供 3.0V 电压，V7 提供 1.8V电压。对比 V1 的 3.0V 和 V2 的 1.8V 电源，V67 的 LDO 输出的电源噪声明显更少，因此这两路电源主要提供相关的模拟信号处理，如音

53、频处理芯片的模拟电路、各种传感器、以及摄像头等。数字电路的供电由 V1 和 V2 提供。V8 为常开的 LDO 输出，电平为 3.3V 不可调。V8 作为处理器的后备电源供电，当电池电量低于 3.0V 后，处理器不能正常工作。V8 的电源输出保证了手机的时间信息不会丢失，同时上电时序的相关控制电路可以正常工作，当电池电压达到开机电平以上时可以进入正常的开机流程。各部分电路具体的分配与耗电关系见附录 2 处理器各部分电压域的电源分配表。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作21处理器提供了 2 路使能信号，同时电源管理芯片有八路可以分别硬件使能控制的地电源输出。根据处理器上电时序的

54、要求，将系统使能（SYS_EN）控制V1、V2、V5；电源使能（PWR_EN）控制 V3 和 V4；V6 和 V7 通过 I2C 接口设定输出电平和开关状态。周围电路的具体的参数可参考图 3.2.5 电源管理芯片的设计。图 3.2.5 电源管理芯片的电路设计手机是通过电池供电的电子通讯设备，电池储存的能量是有限的。随着电量的消耗电池输出的电平会持续下降，而手机内部电路的工作需要一定的电平的支持。因此电池电压的状态是手机应用尤其需要关注的方面，而且需要在硬件设计中就提供必要的支持。MAX8660 提供了一个电压比较器，其输出 LBO 提供处理器的电池电压在位判断。通过外围电路的配置可以设定不同的

55、电平阈值。具体的设计可以参考图 3.2.5 中R301R303 的设计，这里的高电平阈值为 3.3V 低电平阈值为 3.1V，即当电池电压高于 3.3V 之后电源管理芯片给出电池电压正常指示，当电池电压低于 3.1V 之后给出电池电压异常指示，当电池电压再次高于 3.3V 后恢复电池电压正常指示。图 3.2.5 电池电压检测的比较器R301R303 的配置关系满足公式 3.2.1 和公式 3.2.2，其中 R3 取值必须在100K 欧姆到 1M 欧姆之间，VLBOR为 R2 与 R3 之间的电平值，VLBOF为 R1 与 R2 之间的电平制，如图 3.1.5 电池电压检测的比较器所示VLBRT

56、H 为 1.250V，VLBFTH为 1.200V。例如 R1 = 1.8M、R2 = 80K、R3 = 1M 时，VLBOR = 3.6V，VLBOF = 3.2V。公式 3.2.2上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作22公式 .5 充电管理充电管理系统充电采用 BQ24061，它可以实现电池的预充（涓流） 、快充（恒压/恒流） 、脉冲充电等过程，通过状态信号 ST1 和 ST2 指示充电过程的状态变化，可以连接并驱动发光二极管。多媒体处理器通过 GPIO 连接 ST1 和 ST2 检测充电状态。BQ24061最大充电电流达 1A，有充电器插入指示，充电使能控

57、制和过充、过热保护功能。目前通用的充电器主要有两种供电模式，一种是 PC 的 USB 供电，有适应性充电 50mA和快速充电 500mA 两种状态，但都不超过 500mA；另一种是充电器供电，供电能力取决于选购得充电器型号，供电能力一般在 700mA 以上。因此需要增加三极管选通电路，来实现充电限流的选择。3.2.6 开关机电路开关机电路系统的开关机相当于多媒体处理器的电源供给和切断的转换。而电源管理模块Max8660 没有提供相关功能。因此需要通过多媒体处理器 PXA310 提供的开关机接口EXT_WAKEUP 进行识别，然后通过 PWR_EN、SYS_EN 信号来实现。由于 PXA310

58、开关机接口只有 1 路，同时手机需要在关机状态下进行开机（唤醒）的操作一共有 3 种插充电器、闹钟和开机键，因此需要设计逻辑电路共享唤醒源，同时提供唤醒源的识别功能。采用逻辑器件的级联加 Gpio 状态检测方式。在多媒体处理器被唤醒后，检测依次 I2C 的 RTC 状态、充电器插入指示（接 Gpio）和唤醒源状态，来判断唤醒原因是闹钟、插充电器或开机键，同时可判断开机键按下的时间长短。上海交通大学工程硕士学位论文 第三章 学位论文的写作233.3 存储器存储器多媒体应用处理器 PXA310 的运行需要依靠存储设备，处理器内部提供了 256K字节的静态存储空间。PXA320 更有 256K 字节

59、的二级高速缓存，但 PXA310 没有。内部存储器保证了处理器可开始正常的运行，外部存储空间保证了处理器可以运行各种复杂的程序。处理器提供的外部接口包括 16 位的数据闪存总线接口 DFI 和 16 位的 DDR 总线接口。3.3.1 DDRDDR 内存内存内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器（RAM） ，只读存储器（ROM） ，以及高速缓存（CACHE） 。RAM 是其中最重要的存储器。同步动态随机存取存储器 SDRAM 将 CPU 与 RAM 通过一个相同的时钟锁在一起，使 CPU 和 RAM 能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升沿便开始传递数据。DDR-

60、SDRAM 是 SDRAM 的更新换代产品，它允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样可以在相同的总线频率下达到更高的数据传输速率。手持终端设备使用的内存已从 SDRAM 逐步转向 DDR，特别是高端手机的设计中，DDR 的应用已经完全取代了原来的 SDRAM 设备。处理器提供了 EMPI 接口，适用于 SDRAM 以及 DDR 设备。DDR 接口主要包括以下信号：1、数据线 16 位或 8 位，可根据应用的不用设备进行选择。2、地址线共 13 位 A0-A15，其中 A10 为自动 PRECHARGE 标志；A14 与 A15 作为块选择信号 BA0 和 BA1，上海交通大学工程硕士学位