優化雙帶雙模手機的處理器間通信

　　引言

　　隨著全球化的推進，當今以商務和休閑為目的的環球旅行已經非常普遍；伴隨著旅行而來的則是要隨身攜帶差旅必備的物品與新興電子產品 (gadget)。幸運的是，目前的手機功能非常豐富，我們不用再帶上 MP3 播放器、便攜式導航設備、攝像機和手持式視頻游戲機等多個設備。手機每年的出貨量超過 10 億部，已成為人們出門必帶的產品。不過，如果帶上了手機出國，到了國外卻不能用，那真是一件令人頭疼的事。日、韓等國與大多數歐洲國家只支持 GSM 不同，他們采用的是 CDMA 和 FOMA 標準。眾多其他國家則同時支持 GSM 和 CDMA 這兩種不同的標準，但具體采用何種標準取決于所訂閱的電信運營商。因此，一部手機不見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，或者在機場購買新的 SIM 卡，然后再把新的電話號碼用電子郵件通知朋友和同事。

　　隨著手機制造商競相推出用戶希望的“全球性”漫游功能，上述這種不便催生了雙帶雙模 (DBDM) 手機的發展，這種手機能支持真正的全球可用性。DBDM手機是一種包括兩個不同基帶處理器的手機，有兩個插槽，一個可以插 SIM 卡支持 GSM 通道，另一個則用于插入可移動用戶識別模塊 (RUIM) 支持 CDMA 通道。不過，有些其電路板本身已集成 CDMA 功能塊的手機則可能只帶一個槽，用于插入 GSM SIM 卡。目前在其產品線中力推“全球性手機”的主力手機制造商包括 RIM、三星、LG、摩托羅拉等。

　　除處理預定的 CDMA 與 GSM 信號外，每個基帶處理器還在手機中負責執行各自具體的任務，其中包括支持鍵區和 LED 等簡單應用，乃至操作 LCD 屏幕、攝像頭及視頻處理等復雜功能。由于兩個分立處理器都要接收信號，而且還要分別執行各種不同的其它應用任務，因此必須確保在兩個處理器之間高效傳輸數據，避免最終用戶在使用中感覺到延遲，并盡可能減小對電池使用壽命的影響，甚至不影響。隨著高分辨率手機攝像頭和視頻流技術在手機中的應用，手機文件尺寸不斷加大，數據傳輸速率越來越快，這就需要進一步提供這兩個分立處理器間的數據處理效率。我們在訪問手機中存儲的圖片或視頻時，不是經常因為手機半天沒反應而頭疼不已嗎？這是什么原因造成的呢？

　　隨著電信技術的飛速發展，無線數據傳輸速率已從過去2.5/2.75G手機的 Kbps 級發展到了目前 3.5G HSPA手機的 Mbps 級。WiMax、WiBro、LTE 和 UMB 等目前正投入試用的移動通信標準將進一步提高數據傳輸速率。為了滿足新標準提出的更高速度要求，處理器的處理能力在不斷提高，蜂窩網絡在不斷升級，以適應數據傳輸速率指數級增長的要求。

　　盡管基帶處理器處理能力提高了，蜂窩網絡數據傳輸速率加快了，但手機本身的內部架構仍然很落后，從而限制了手機功能的最佳發揮，這就需要優化處理器間通信架構。相對于蜂窩手機產業技術的指數級發展，電信領域中手機本身的發展比較滯后。目前，我們的基帶處理器和應用處理器的處理速度可達每秒百萬條指令 (MIPS)， HSPA手機數據傳輸速率可達 10Mbps 甚至更高。然而，盡管集中精力在提高處理器能力與無線數據傳輸速率，但處理器間通信一直是一個很大的瓶頸。許多手機設計人員都面臨這一問題，即便采用最新、功能最強大的處理器與芯片組，卻未能有效提高手機產品的性能。

　　當前解決方案及其缺點

　　目前的手機架構采用多種處理器間通信技術。當前比較流行的直接接口包括SPI、I2C、UART和USB。

　　盡管 SPI 能支持 20Mbps 以上的數據傳輸速率，但其沒有統一的規范，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的數據傳輸速率。由于眾多基帶處理器制造商推出各自的專利產品，因此不同基帶處理器上不同的SPI接口會對設計人員提出不同的挑戰，難以將兩個不同基帶處理器成功配對，以實現最佳SPI 速度。

　　另一方面，盡管最新 I2C 規范提出了吞吐量高達 3.4Mbps的高速模式，但目前可用的大多數設備只能支持400Kbps到1Mbps的數據傳輸速率。就這種速度而言，I2C 對目前的電信需求來說太慢了。

　　手機中的第三類互連技術就是UART。UART的典型數據傳輸速率約為 1.5Mbps，而高速UART 則支持高達 5Mbps 的速率。但，這種數據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是采用通用串行總線 (USB) 接口。大多數處理器都具備全速USB（FS-USB）性能。FS-USB的最大數據傳輸速率為 12Mbps，由于USB協議本身的數據包開銷較高，因此其實際吞吐量約為 6Mbps。此外，大多數基帶處理器不具備 USB 主機功能，而這對 USB 解決方案來說又是必需的。因此，我們必須內置額外的 USB 主機功能。USB連接技術不但不能滿足目前HSPA手機的數據傳輸速率要求外，而且還會增加功耗，這是因為USB主機即便在不傳輸數據時也始終保持工作狀態。此外，基帶處理器上可用的 USB 端口數量通常也受限制，因為USB也是手機連接到PC的實際標準。

　　此前，就較慢網絡上的文本消息和簡單的數據傳輸而言，上述互連技術基本還算夠用。但是，由于 HSPA手機數據傳輸速度可達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，設計人員怎么才能滿足當前對手機更高吞吐量的需求呢？

　　備選解決方案及其優點

　　解決處理器間互連問題的一種潛在解決方案就是采用多端口互連技術，這也是目前眾多DBDM架構所使用的一種技術。在 DBDM 架構中，緩沖多端口器件作為兩個CPU之間的互連機制，能支持兩者之間的高速數據傳輸，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的最明顯優勢就在于速度高。雙端口存儲器的存取時間僅為 40ns，能支持高達 400Mbps 的數據傳輸速度，這不僅足以滿足目前HSPA手機要求，而且還為今后吞吐量需求的進一步提升奠定了堅實的基礎（比方說 LTE 標準）。隨著手機技術日益復雜，處理器間傳輸的數據量肯定會不斷加大。利用多端口互連技術，手機設計人員將不再被處理期間通信瓶頸的問題所困擾。

　　功耗

　　除了高速之外，低功耗也是 DBDM 手機的一大關鍵要求。如果在整個 IPC 期間兩個基帶處理器都要求保持工作狀態（如SPI、UART、I2C或USB一樣），那么肯定會影響電池使用壽命。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源通信。處理器可根據需要寫入多端口互連，然后再進入睡眠模式。另一個基帶處理器可根據需要在方便的時候存取數據。由于多端口互連機制作為緩沖，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，只在需要接收數據的時候再進入工作狀態。

　　我們不妨看看下面這個例子，比較一下多端口 IPC 解決方案和基于 FS-USB 的 IPC 解決方案。實際吞吐量為 6Mbps 的 FS-USB 解決方案傳輸 480Mb（60MB）數據或 10 首 MP3 歌曲需要 1 分20 秒的時間，而用多端口互連技術傳輸同樣的數據量只需要 5 秒鐘（假定實際吞吐量為 100Mbps）。核心電壓為 1.2V 的典型基帶處理器工作時功耗為 120mW，睡眠模式下功耗為 0.24mW。如果兩個處理器在 80 秒鐘的 IPC期間一直處于工作狀態，那么采用 USB 的解決方案功耗就為 5.33mWH [（120x2） x 80/3600]，而采用多端口技術時在數據傳輸期間只有一個處理器工作，處理器加上多端口互連（~27mW）的總電池耗電量僅為0.743mWH [（（（120 + 0.24） x 2） + 27） x 10/3600]。也就是說，在一次 IPC 期間，我們就實現了 85% 的節電效果，隨著人們用手機下載音樂、圖片、電子郵件以及瀏覽因特網越來越多，這種節電功能必將發揮巨大作用。

　　靈活性

　　互連緩沖的另一優勢在于，采用多端口器件實施 IPC時無需軟件驅動程序，這就使手機制造商基本不用修改整體軟件 IPC 架構就能針對不同地區推出不同型號的產品。這就提高了制造商在不同處理器上采用不同操作系統的靈活性，并能根據系統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，這是一項令人感興趣的新發展。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，通常會在特性與性能上進行取舍。這種處理器比較新，還沒有完全經過市場的檢驗。大多數制造商仍然希望采用業經驗證的解決方案，通常不希望在性能要求方面折衷。因此，從提高網絡傳輸速率以及滿足特性要求方面來說，雙處理器架構是較理想的選擇。

　　結論

　　隨著 HSPA手機的發展，以及視頻與數字內容質量的改進，這在近期會催生處理器間通信架構的革命性發展。傳統的互連機制已不再適應基帶處理器數據吞吐量的要求，也不能滿足未來移動通信標準發展的要求。一些手機設計人員已經開始認識到這個懸而未決的問題，并開始在 DBDM 手機中轉而采用低功耗的多端口互連技術。多端口互連技術不僅能支持當前手機設計方案的高帶寬與低功耗要求，而且還能幫助設計人員靈活地推出成本更低、質量更高、上市速度更快的手機。