優(yōu)化雙帶雙模手機(jī)的處理器間通信

隨著全球化的推進(jìn)，當(dāng)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(yùn)的是，目前的手機(jī)功能非常豐富，我們不用再帶上 MP3 播放器、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、攝像機(jī)和手持式視頻游戲機(jī)等多個(gè)設(shè)備。手機(jī)每年的出貨量超過(guò) 10 億部，已成為人們出門必帶的產(chǎn)品。不過(guò)，如果帶上了手機(jī)出國(guó)，到了國(guó)外卻不能用，那真是一件令人頭疼的事。日、韓等國(guó)與大多數(shù)歐洲國(guó)家只支持 GSM 不同，他們采用的是 CDMA 和 FOMA 標(biāo)準(zhǔn)。眾多其他國(guó)家則同時(shí)支持 GSM 和 CDMA 這兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)，但具體采用何種標(biāo)準(zhǔn)取決于所訂閱的電信運(yùn)營(yíng)商。因此，一部手機(jī)不見(jiàn)得能滿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(jī)，或者在機(jī)場(chǎng)購(gòu)買新的 SIM 卡，然后再把新的電話號(hào)碼用電子郵件通知朋友和同事。

    隨著手機(jī)制造商競(jìng)相推出用戶希望的“全球性”漫游功能，上述這種不便催生了雙帶雙模 (DBDM)手機(jī)的發(fā)展，這種手機(jī)能支持真正的全球可用性。DBDM手機(jī)是一種包括兩個(gè)不同基帶處理器的手機(jī)，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)用戶識(shí)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(jī)則可能只帶一個(gè)槽，用于插入 GSM SIM 卡。目前在其產(chǎn)品線中力推“全球性手機(jī)”的主力手機(jī)制造商包括RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

    除處理預(yù)定的 CDMA 與 GSM 信號(hào)外，每個(gè)基帶處理器還在手機(jī)中負(fù)責(zé)執(zhí)行各自具體的任務(wù)，其中包括支持鍵區(qū)和 LED等簡(jiǎn)單應(yīng)用，乃至操作 LCD屏幕、攝像頭及視頻處理等復(fù)雜功能。由于兩個(gè)分立處理器都要接收信號(hào)，而且還要分別執(zhí)行各種不同的其它應(yīng)用任務(wù)，因此必須確保在兩個(gè)處理器之間高效傳輸數(shù)據(jù)，避免最終用戶在使用中感覺(jué)到延遲，并盡可能減小對(duì)電池使用壽命的影響，甚至不影響。隨著高分辨率手機(jī)攝像頭和視頻流技術(shù)在手機(jī)中的應(yīng)用，手機(jī)文件尺寸不斷加大，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理效率。我們?cè)谠L問(wèn)手機(jī)中存儲(chǔ)的圖片或視頻時(shí)，不是經(jīng)常因?yàn)槭謾C(jī)半天沒(méi)反應(yīng)而頭疼不已嗎？這是什么原因造成的呢？

    隨著電信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率已從過(guò)去2.5/2.75G手機(jī)的 Kbps 級(jí)發(fā)展到了目前 3.5G HSPA手機(jī)的 Mbps級(jí)。WiMax、WiBro、LTE 和 UMB等目前正投入試用的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)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(jí)，以適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的要求。

    盡管基帶處理器處理能力提高了，蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率加快了，但手機(jī)本身的內(nèi)部架構(gòu)仍然很落后，從而限制了手機(jī)功能的最佳發(fā)揮，這就需要優(yōu)化處理器間通信架構(gòu)。相對(duì)于蜂窩手機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的指數(shù)級(jí)發(fā)展，電信領(lǐng)域中手機(jī)本身的發(fā)展比較滯后。目前，我們的基帶處理器和應(yīng)用處理器的處理速度可達(dá)每秒百萬(wàn)條指令(MIPS)， HSPA手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 10Mbps 甚至更高。然而，盡管集中精力在提高處理器能力與無(wú)線數(shù)據(jù)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(jī)設(shè)計(jì)人員都面臨這一問(wèn)題，即便采用最新、功能最強(qiáng)大的處理器與芯片組，卻未能有效提高手機(jī)產(chǎn)品的性能。

    當(dāng)前解決方案及其缺點(diǎn)

    目前的手機(jī)架構(gòu)采用多種處理器間通信技術(shù)。當(dāng)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(shù)據(jù)傳輸速率，但其沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)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(shù)據(jù)傳輸速率。由于眾多基帶處理器制造商推出各自的專利產(chǎn)品，因此不同基帶處理器上不同的SPI接口會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員提出不同的挑戰(zhàn)，難以將兩個(gè)不同基帶處理器成功配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)最佳SPI速度。

    另一方面，盡管最新 I2C 規(guī)范提出了吞吐量高達(dá)3.4Mbps的高速模式，但目前可用的大多數(shù)設(shè)備只能支持400Kbps到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。就這種速度而言，I2C對(duì)目前的電信需求來(lái)說(shuō)太慢了。

    手機(jī)中的第三類互連技術(shù)就是UART。UART的典型數(shù)據(jù)傳輸速率約為 1.5Mbps，而高速UART 則支持高達(dá) 5Mbps的速率。但，這種數(shù)據(jù)傳輸速率還是不能滿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 (USB)接口。大多數(shù)處理器都具備全速USB（FS-USB）性能。FS-USB的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12Mbps，由于USB協(xié)議本身的數(shù)據(jù)包開銷較高，因此其實(shí)際吞吐量約為 6Mbps。此外，大多數(shù)基帶處理器不具備 USB主機(jī)功能，而這對(duì) USB 解決方案來(lái)說(shuō)又是必需的。因此，我們必須內(nèi)置額外的 USB主機(jī)功能。USB連接技術(shù)不但不能滿足目前HSPA手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求外，而且還會(huì)增加功耗，這是因?yàn)閁SB主機(jī)即便在不傳輸數(shù)據(jù)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(shù)量通常也受限制，因?yàn)閁SB也是手機(jī)連接到PC的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。

    此前，就較慢網(wǎng)絡(luò)上的文本消息和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸而言，上述互連技術(shù)基本還算夠用。但是，由于HSPA手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)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(shè)計(jì)人員怎么才能滿足當(dāng)前對(duì)手機(jī)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(gòu)所使用的一種技術(shù)。在 DBDM架構(gòu)中，緩沖多端口器件作為兩個(gè)CPU之間的互連機(jī)制，能支持兩者之間的高速數(shù)據(jù)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(shì)就在于速度高。雙端口存儲(chǔ)器的存取時(shí)間僅為 40ns，能支持高達(dá) 400Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，這不僅足以滿足目前HSPA手機(jī)要求，而且還為今后吞吐量需求的進(jìn)一步提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)（比方說(shuō) LTE 標(biāo)準(zhǔn)）。隨著手機(jī)技術(shù)日益復(fù)雜，處理器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量肯定會(huì)不斷加大。利用多端口互連技術(shù)，手機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)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(jù)需要寫入多端口互連，然后再進(jìn)入睡眠模式。另一個(gè)基帶處理器可根據(jù)需要在方便的時(shí)候存取數(shù)據(jù)。由于多端口互連機(jī)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(shù)據(jù)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?jìng)鬏?480Mb（60MB）數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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?jī)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(xiàn)了 85% 的節(jié)電效果，隨著人們用手機(jī)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(jié)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(shì)在于，采用多端口器件實(shí)施 IPC時(shí)無(wú)需軟件驅(qū)動(dòng)程序，這就使手機(jī)制造商基本不用修改整體軟件 IPC架構(gòu)就能針對(duì)不同地區(qū)推出不同型號(hào)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(tǒng)的靈活性，并能根據(jù)系統(tǒng)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(xiàng)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(yàn)。大多數(shù)制造商仍然希望采用業(yè)經(jīng)驗(yàn)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)傳輸速率以及滿足特性要求方面來(lái)說(shuō)，雙處理器架構(gòu)是較理想的選擇。

    結(jié)論

    隨著HSPA手機(jī)的發(fā)展，以及視頻與數(shù)字內(nèi)容質(zhì)量的改進(jìn)，這在近期會(huì)催生處理器間通信架構(gòu)的革命性發(fā)展。傳統(tǒng)的互連機(jī)制已不再適應(yīng)基帶處理器數(shù)據(jù)吞吐量的要求，也不能滿足未來(lái)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的要求。一些手機(jī)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到這個(gè)懸而未決的問(wèn)題，并開始在DBDM手機(jī)中轉(zhuǎn)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(dāng)前手機(jī)設(shè)計(jì)方案的高帶寬與低功耗要求，而且還能幫助設(shè)計(jì)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(jī)