優(yōu)化DBDM手機(jī)處理器之間的通信方案 - 全文

隨著HSPA功能手機(jī)的推出以及視頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容質(zhì)量的改進(jìn)，許多處理器間的通信架構(gòu)也日趨完美。傳統(tǒng)的互連架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法支持與基帶處理器功能和未來(lái)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)匹配的數(shù)據(jù)吞吐量。本文將討論多端口互連為何能成為可行的解決方案。

　　在全球化進(jìn)程中，全球性商務(wù)或休閑旅行已越來(lái)越流行，在旅途中最好是攜帶最基本和小巧的物件。移動(dòng)手機(jī)目前是首選設(shè)備，它使MP3播放器、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、照相機(jī)和手持式視頻游戲機(jī)等玩意變得多余。憑借每年10億多部手機(jī)的出貨量，移動(dòng)手機(jī)現(xiàn)在已成為人們出行的基本必需品之一。然而，若它在目的地國(guó)家不能正常工作就沒(méi)有太大用處了。

　　例如，韓國(guó)和日本支持CDMA和FOMA標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)歐洲國(guó)家則只支持GSM，而這些標(biāo)準(zhǔn)是互不兼容的。許多其他的國(guó)家同時(shí)支持GSM和CDMA兩種標(biāo)準(zhǔn)，這要取決于用戶注冊(cè)的具體運(yùn)營(yíng)商。因此單制式手機(jī)無(wú)法在全球通用。許多旅行者要帶兩部手機(jī)，或者在旅途中購(gòu)買(mǎi)新的SIM卡，然后通過(guò)電子郵件將新號(hào)碼告知朋友和同事。

　　手機(jī)制式的互不兼容激起了對(duì)雙基帶雙模(DBDM)手機(jī)的需求。DBDM手機(jī)可以提供真正的全球操作性，因?yàn)槭謾C(jī)制造商在爭(zhēng)相向他們的用戶提供全球漫游功能。DBDM手機(jī)是配置有兩個(gè)獨(dú)立基帶處理器的單支手機(jī)。這些手機(jī)通常包含兩個(gè)插槽，可插入供GSM信道使用的SIM卡和供CDMA信道使用的RUIM模塊。然而，那些已經(jīng)有板載CDMA功能的手機(jī)則只需提供一個(gè)插槽給SIM卡。目前宣稱推出“全球手機(jī)”的主要手機(jī)制造商包括RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

　　除了處理相應(yīng)的CDMA或GSM信號(hào)外，每個(gè)基帶處理器還需要執(zhí)行一些特殊的任務(wù)，包括從鍵盤(pán)操作和LED等簡(jiǎn)單的應(yīng)用到諸如操作LCD屏幕、照相機(jī)和視頻處理等復(fù)雜功能。由于接收信號(hào)的兩個(gè)獨(dú)立處理器和它們之間的各種其他應(yīng)用程序是分開(kāi)的，因此在處理器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須高效以防止在用戶終端產(chǎn)生延時(shí)，并保證其對(duì)電池壽命的影響較小。由于在手機(jī)中引入了高分辨率相機(jī)功能和視頻流業(yè)務(wù)，更大容量的文件和更高的數(shù)據(jù)速率將進(jìn)一步推動(dòng)處理器間的高效數(shù)據(jù)處理需求。在訪問(wèn)存儲(chǔ)的照片或視頻時(shí)手機(jī)進(jìn)程被掛起的事我們見(jiàn)得還少嗎？

　　隨著電信技術(shù)的飛躍式發(fā)展，2.5G/2.75G手機(jī)中的kbps級(jí)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)一去不復(fù)返了，今天具備HSPA功能的3.5G手機(jī)要求支持Mbps級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸。目前正在試驗(yàn)的未來(lái)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(如WiMax,WiBro，LTE和UMB)將進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率。為了匹配這些新標(biāo)準(zhǔn)中不斷提升的速度，處理器必須提高處理能力，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)必須升級(jí)才能滿足呈指數(shù)式上升的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。

　　然而，隨著基帶處理器處理功能的提高和蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)功能的增強(qiáng)，處理器間陳舊的通信架構(gòu)限制了手機(jī)性能的最優(yōu)化。這部分電信生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于蜂窩手機(jī)產(chǎn)業(yè)呈指數(shù)式增長(zhǎng)的發(fā)展步伐。如今的基帶和應(yīng)用處理器可以達(dá)到數(shù)百兆MIPS，HSPA功能手機(jī)的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到10Mbps以上。然而，由于所有重點(diǎn)放在處理器功能和無(wú)線數(shù)據(jù)速率上，處理器之間的通信已經(jīng)成為很大的瓶頸。眾多手機(jī)設(shè)計(jì)師意識(shí)到該問(wèn)題，雖然他們擁有最新最好的處理器和芯片組，但似乎就是無(wú)法提高設(shè)備的性能。

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　　圖1：當(dāng)前解決方案和它們的缺點(diǎn)。

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　　圖2：手機(jī)處理器間通信的替代性解決方案

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　　圖3：手機(jī)處理器間通信解決方案的比較

　　當(dāng)前解決方案及它們的缺點(diǎn)

　　當(dāng)前的手機(jī)架構(gòu)使用著多種處理器間通信方式。目前流行的接口有SPI、I2C、UART和USB。

　　雖然SPI可能達(dá)到20Mbps以上的數(shù)據(jù)速率，但SPI沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，完全依賴于所使用的處理器?；鶐幚砥鞯牡湫蚐PI速度約為16Mbps。由于不同的基帶制造商都是生產(chǎn)自己專用的產(chǎn)品，因此不同基帶處理器具有不同的SPI接口，使得設(shè)計(jì)師很難成功對(duì)接兩個(gè)不同的基帶處理器，并獲得最佳的SPI速度。

　　另一方面，雖然最新的I2C規(guī)范要求高速模式下達(dá)到3.4Mbps的吞吐量，但目前的大多數(shù)器件只能支持400kbps到1Mbps的數(shù)據(jù)速率，這樣的速度對(duì)目前的電信需求來(lái)說(shuō)顯然太慢了。

　　手機(jī)中使用的第三種互連是UART。UART的典型數(shù)據(jù)速率約1.5Mbps，高速UART可達(dá)5Mbps。但這樣的數(shù)據(jù)速率對(duì)高寬帶的處理器間通信來(lái)說(shuō)也是不夠的。

　　最流行的互連方法之一是通過(guò)USB。大多數(shù)處理器都具有全速USB功能，全速USB的數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)12Mbps。在實(shí)際應(yīng)用中，由于USB協(xié)議中必要的包開(kāi)銷較多，因此最高數(shù)據(jù)速率接近6Mbps。而且大多數(shù)基帶處理器并沒(méi)有配備USB解決方案中必需的USB host功能。這樣還必須內(nèi)建另外的USB host。除了不足以達(dá)到目前的HSPA數(shù)據(jù)速率外，還會(huì)增加功耗，因?yàn)榧词乖跊](méi)有數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB host也會(huì)一直工作。基帶處理器上可用的USB端口數(shù)量通常也非常有限，因?yàn)槭謾C(jī)實(shí)際上也用USB方式連接PC機(jī)。

　　以前由于只在慢速網(wǎng)絡(luò)上傳輸文本消息和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，上述互連方法可能足夠用了。但隨著HSPA功能手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)14.4Mbps以上，上述目接口都無(wú)法有效地支持必要的吞吐量，并使手機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

　　那么設(shè)計(jì)師應(yīng)如何滿足手機(jī)中不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求呢？

　　替代性解決方案及其優(yōu)勢(shì)

　　解決處理器間連接問(wèn)題的潛在方案之一是使用多端口互連，這也是目前許多DBDM架構(gòu)使用的方法。在這種架構(gòu)中，緩存式多端口器件作為兩個(gè)CPU之間的互連橋梁，可以在兩者間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并有助于在處理器間通信(IPC)時(shí)降低功耗。

　　速度

　　使用多端口互連的最明顯好處是速度。由于存取時(shí)間快至40ns，雙端口存儲(chǔ)器最高可支持400Mbps。這不僅為HSPA功能手機(jī)提供了足夠的支持，而且為未來(lái)吞吐量需求的持續(xù)增長(zhǎng)(如LTE)奠定了基礎(chǔ)。隨著手機(jī)復(fù)雜性的提高，處理器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加是不可避免的。通過(guò)多端口互連，手機(jī)設(shè)計(jì)師將不再面對(duì)處理器間通信的瓶頸問(wèn)題。

　　功耗

　　除了高速外，低功耗是DBDM手機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵要求。如果在IPC過(guò)程中要求兩個(gè)基帶處理器一直保持工作(比如在SPI、UART、I2C或USB互連情況下)，電池壽命將大打折扣。除此之外，處理器之間的主動(dòng)通信需要耗用每個(gè)處理器的專門(mén)資源，因此會(huì)降低它們的性能。

　　多端口解決方案可以實(shí)現(xiàn)處理器之間的被動(dòng)通信。一個(gè)處理器可以在需要時(shí)寫(xiě)入到多端口互連，然后進(jìn)入睡眠模式。另外一個(gè)基帶處理器則可以根據(jù)自身情況隨時(shí)訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)。由于多端口互連起著緩存的作用，接收處理器可以一直處于睡眠模式，直到從多端口互連收到中斷指令才激活。

　　讓我們通過(guò)具體例子比較一下多端口IPC解決方案和基于全速USB的IPC方案。有效吞吐量為6Mbps的全速USB方案需要花80秒的時(shí)間傳輸60MB數(shù)據(jù)或10首MP3歌曲。而使用多端口互連方案以100Mbps的速度(假定為有效吞吐量)傳輸同樣大小的數(shù)據(jù)只需要5秒。

　　帶1.2V內(nèi)核的典型基帶處理器正常功耗是120mW，睡眠模式時(shí)為0.24mW。如果兩個(gè)處理器在80秒傳輸時(shí)間內(nèi)都處于工作狀態(tài)，USB方案將消耗5.33mWH的電流。在多端口方案中，數(shù)據(jù)傳輸期間只有一個(gè)處理器工作，因此多端口互連耦合(27mW)和處理器一起消耗的總電池能量?jī)H為0.743mWH，相當(dāng)于在單個(gè)IPC場(chǎng)合節(jié)省了約85%的功率，這在越來(lái)越多的人通過(guò)手機(jī)下載音樂(lè)、照片、收發(fā)電子郵件和瀏覽互聯(lián)網(wǎng)的今天具有極大的價(jià)值。

　　靈活性

　　互連緩存的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用多端口器件實(shí)現(xiàn)IPC不需要軟件驅(qū)動(dòng)程序。因此手機(jī)制造商不需要對(duì)總體軟件IPC架構(gòu)作大的改動(dòng)就能輕松地為不同地區(qū)推出不同型號(hào)的手機(jī)。這還為制造商帶來(lái)了更大的靈活性，他們可以使用在不同處理器上運(yùn)行的不同操作系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)需要而不是IPC限制來(lái)選取處理器。

　　單芯片解決方案

　　最近推出的單芯片解決方案包含了選定的GSM和CDMA頻段，非常值得關(guān)注。在這種方案中，由于單芯片需要適應(yīng)所有必需的功能，因此很多時(shí)候都會(huì)犧牲一定的特性和性能。而且這些處理器比較新，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的考驗(yàn)。大多數(shù)制造商仍喜歡使用經(jīng)試驗(yàn)和測(cè)試過(guò)的解決方案，而且通常不愿意在性能要求方面作出太大的妥協(xié)。雙處理器架構(gòu)將成為滿足不斷提高的網(wǎng)絡(luò)速度和性能要求的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

　　本文小結(jié)

　　隨著HSPA功能手機(jī)的推出以及視頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容質(zhì)量的改進(jìn)，許多處理器間通信架構(gòu)也日趨完美。傳統(tǒng)的互連架構(gòu)已無(wú)法支持與基帶處理器功能和未來(lái)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)匹配的數(shù)據(jù)吞吐量。一些手機(jī)設(shè)計(jì)師已經(jīng)開(kāi)始意識(shí)到這個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題，并在DBDM手機(jī)設(shè)計(jì)中開(kāi)始使用低功率多端口互連方案。多端口互連不僅能夠滿足當(dāng)今手機(jī)所需的高帶寬和低功耗要求，而且向設(shè)計(jì)師提供了更大的靈活性，可以幫助他們以更低的成本和更快的上市時(shí)間推出更高質(zhì)量的手機(jī)。

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　　表1：“全球手機(jī)”制造商和及手機(jī)型號(hào)。

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　　表2：蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)傳輸速率。

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　　表3：幾種手機(jī)處理器常有的通信接口及其缺點(diǎn)。

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