優(yōu)化DBDM手機處理器之間的通信

隨著HSPA功能手機的推出以及視頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容質(zhì)量的改進，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)無法支持與基帶處理器功能和未來移動通信標準匹配的數(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。

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

例如，韓國和日本支持CDMA和FOMA標準，大多數(shù)歐洲國家則只支持GSM，而這些標準是互不兼容的。許多其他的國家同時支持GSM和CDMA兩種標準，這要取決于用戶注冊的具體運營商。因此單制式手機無法在全球通用。許多旅行者要帶兩部手機，或者在旅途中購買新的SIM卡，然后通過電子郵件將新號碼告知朋友和同事。

手機制式的互不兼容激起了對雙基帶雙模(DBDM)手機的需求。DBDM手機可以提供真正的全球操作性，因為手機制造商在爭相向他們的用戶提供全球漫游功能。DBDM手機是配置有兩個獨立基帶處理器的單支手機。這些手機通常包含兩個插槽，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功能的手機則只需提供一個插槽給SIM卡。目前宣稱推出“全球手機”的主要手機制造商包括RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

除了處理相應的CDMA或GSM信號外，每個基帶處理器還需要執(zhí)行一些特殊的任務，包括從鍵盤操作和LED等簡單的應用到諸如操作LCD屏幕、照相機和視頻處理等復雜功能。由于接收信號的兩個獨立處理器和它們之間的各種其他應用程序是分開的，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，并保證其對電池壽命的影響較小。由于在手機中引入了高分辨率相機功能和視頻流業(yè)務，更大容量的文件和更高的數(shù)據(jù)速率將進一步推動處理器間的高效數(shù)據(jù)處理需求。在訪問存儲的照片或視頻時手機進程被掛起的事我們見得還少嗎？

隨著電信技術的飛躍式發(fā)展，2.5G/2.75G手機中的kbps級的無線數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)一去不復返了，今天具備HSPA功能的3.5G手機要求支持Mbps級的數(shù)據(jù)傳輸。目前正在試驗的未來移動通信標準(如WiMax,WiBro，LTE和UMB)將進一步提升數(shù)據(jù)傳輸速率。為了匹配這些新標準中不斷提升的速度，處理器必須提高處理能力，而蜂窩網(wǎng)絡必須升級才能滿足呈指數(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)絡數(shù)據(jù)功能的增強，處理器間陳舊的通信架構(gòu)限制了手機性能的最優(yōu)化。這部分電信生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遠遠落后于蜂窩手機產(chǎn)業(yè)呈指數(shù)式增長的發(fā)展步伐。如今的基帶和應用處理器可以達到數(shù)百兆MIPS，HSPA功能手機的數(shù)據(jù)速率可達到10Mbps以上。然而，由于所有重點放在處理器功能和無線數(shù)據(jù)速率上，處理器之間的通信已經(jīng)成為很大的瓶頸。眾多手機設計師意識到該問題，雖然他們擁有最新最好的處理器和芯片組，但似乎就是無法提高設備的性能。

圖1：當前解決方案和它們的缺點。

圖2：手機處理器間通信的替代性解決方案。

圖3：手機處理器間通信解決方案的比較。

當前解決方案及它們的缺點

當前的手機架構(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可能達到20Mbps以上的數(shù)據(jù)速率，但SPI沒有統(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，使得設計師很難成功對接兩個不同的基帶處理器，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，這樣的速度對目前的電信需求來說顯然太慢了。

手機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5Mbps。但這樣的數(shù)據(jù)速率對高寬帶的處理器間通信來說也是不夠的。

最流行的互連方法之一是通過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12Mbps。在實際應用中，由于USB協(xié)議中必要的包開銷較多，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。除了不足以達到目前的HSPA數(shù)據(jù)速率外，還會增加功耗，因為即使在沒有數(shù)據(jù)傳輸USB host也會一直工作?；鶐幚砥魃峡捎玫腢SB端口數(shù)量通常也非常有限，因為手機實際上也用USB方式連接PC機。

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

那么設計師應如何滿足手機中不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐量要求呢？

替代性解決方案及其優(yōu)勢

解決處理器間連接問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CPU之間的互連橋梁，可以在兩者間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，并有助于在處理器間通信(IPC)時降低功耗。

速度

使用多端口互連的最明顯好處是速度。由于存取時間快至40ns，雙端口存儲器最高可支持400Mbps。這不僅為HSPA功能手機提供了足夠的支持，而且為未來吞吐量需求的持續(xù)增長(如LTE)奠定了基礎。隨著手機復雜性的提高，處理器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加是不可避免的。通過多端口互連，手機設計師將不再面對處理器間通信的瓶頸問題。

功耗

除了高速外，低功耗是DBDM手機的另一個關鍵要求。如果在IPC過程中要求兩個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，處理器之間的主動通信需要耗用每個處理器的專門資源，因此會降低它們的性能。

多端口解決方案可以實現(xiàn)處理器之間的被動通信。一個處理器可以在需要時寫入到多端口互連，然后進入睡眠模式。另外一個基帶處理器則可以根據(jù)自身情況隨時訪問這些數(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，睡眠模式時為0.24mW。如果兩個處理器在80秒傳輸時間內(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僅為0.743mWH，相當于在單個IPC場合節(jié)省了約85%的功率，這在越來越多的人通過手機下載音樂、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值。

靈活性

互連緩存的另外一個優(yōu)點是用多端口器件實現(xiàn)IPC不需要軟件驅(qū)動程序。因此手機制造商不需要對總體軟件IPC架構(gòu)作大的改動就能輕松地為不同地區(qū)推出不同型號的手機。這還為制造商帶來了更大的靈活性，他們可以使用在不同處理器上運行的不同操作系統(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，非常值得關注。在這種方案中，由于單芯片需要適應所有必需的功能，因此很多時候都會犧牲一定的特性和性能。而且這些處理器比較新，還沒有經(jīng)過市場的考驗。大多數(shù)制造商仍喜歡使用經(jīng)試驗和測試過的解決方案，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)絡速度和性能要求的有力競爭者。

本文小結(jié)

隨著HSPA功能手機的推出以及視頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容質(zhì)量的改進，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)已無法支持與基帶處理器功能和未來移動通信標準匹配的數(shù)據(jù)吞吐量。一些手機設計師已經(jīng)開始意識到這個越來越迫切的問題，并在DBDM手機設計中開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今手機所需的高帶寬和低功耗要求，而且向設計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間推出更高質(zhì)量的手機。

表1：“全球手機”制造商和及手機型號。

表2：蜂窩通信標準及相應傳輸速率。

表3：幾種手機處理器常有的通信接口及其缺點。