优化DBDM手机处理器之间的通信

随着HSPA功能手机的推出以及视频和数据内容质量的改进，许多处理器间的通信架构也日趋完美。传统的互连架构已经无法支持与基带处理器功能和未来移动通信标准匹配的数据吞吐量。本文将讨论多端口互连为何能成为可行的解决方案。

在全球化进程中，全球性商务或休闲旅行已越来越流行，在旅途中最好是携带最基本和小巧的物件。移动手机目前是首选设备，它使MP3播放器、便携式导航设备、照相机和手持式视频游戏机等玩意变得多余。凭借每年10亿多部手机的出货量，移动手机现在已成为人们出行的基本必需品之一。然而，若它在目的地国家不能正常工作就没有太大用处了。

例如，韩国和日本支持CDMA和FOMA标准，大多数欧洲国家则只支持GSM，而这些标准是互不兼容的。许多其他的国家同时支持GSM和CDMA两种标准，这要取决于用户注册的具体运营商。因此单制式手机无法在全球通用。许多旅行者要带两部手机，或者在旅途中购买新的SIM卡，然后通过电子邮件将新号码告知朋友和同事。

手机制式的互不兼容激起了对双基带双模(DBDM)手机的需求。DBDM手机可以提供真正的全球操作性，因为手机制造商在争相向他们的用户提供全球漫游功能。DBDM手机是配置有两个独立基带处理器的单支手机。这些手机通常包含两个插槽，可插入供GSM信道使用的SIM卡和供CDMA信道使用的RUIM模块。然而，那些已经有板载CDMA功能的手机则只需提供一个插槽给SIM卡。目前宣称推出“全球手机”的主要手机制造商包括RIM、三星、LG、摩托罗拉等。

除了处理相应的CDMA或GSM信号外，每个基带处理器还需要执行一些特殊的任务，包括从键盘操作和LED等简单的应用到诸如操作LCD屏幕、照相机和视频处理等复杂功能。由于接收信号的两个独立处理器和它们之间的各种其他应用程序是分开的，因此在处理器之间传输的数据必须高效以防止在用户终端产生延时，并保证其对电池寿命的影响较小。由于在手机中引入了高分辨率相机功能和视频流业务，更大容量的文件和更高的数据速率将进一步推动处理器间的高效数据处理需求。在访问存储的照片或视频时手机进程被挂起的事我们见得还少吗？

随着电信技术的飞跃式发展，2.5G/2.75G手机中的kbps级的无线数据传输速率已经一去不复返了，今天具备HSPA功能的3.5G手机要求支持Mbps级的数据传输。目前正在试验的未来移动通信标准(如WiMax,WiBro，LTE和UMB)将进一步提升数据传输速率。为了匹配这些新标准中不断提升的速度，处理器必须提高处理能力，而蜂窝网络必须升级才能满足呈指数式上升的数据传输速率要求。

然而，随着基带处理器处理功能的提高和蜂窝网络数据功能的增强，处理器间陈旧的通信架构限制了手机性能的最优化。这部分电信生态系统已经远远落后于蜂窝手机产业呈指数式增长的发展步伐。如今的基带和应用处理器可以达到数百兆MIPS，HSPA功能手机的数据速率可达到10Mbps以上。然而，由于所有重点放在处理器功能和无线数据速率上，处理器之间的通信已经成为很大的瓶颈。众多手机设计师意识到该问题，虽然他们拥有最新最好的处理器和芯片组，但似乎就是无法提高设备的性能。

图1：当前解决方案和它们的缺点。

图2：手机处理器间通信的替代性解决方案。

图3：手机处理器间通信解决方案的比较。

当前解决方案及它们的缺点

当前的手机架构使用着多种处理器间通信方式。目前流行的接口有SPI、I2C、UART和USB。

虽然SPI可能达到20Mbps以上的数据速率，但SPI没有统一的规范，完全依赖于所使用的处理器。基带处理器的典型SPI速度约为16Mbps。由于不同的基带制造商都是生产自己专用的产品，因此不同基带处理器具有不同的SPI接口，使得设计师很难成功对接两个不同的基带处理器，并获得最佳的SPI速度。

另一方面，虽然最新的I2C规范要求高速模式下达到3.4Mbps的吞吐量，但目前的大多数器件只能支持400kbps到1Mbps的数据速率，这样的速度对目前的电信需求来说显然太慢了。

手机中使用的第三种互连是UART。UART的典型数据速率约1.5Mbps，高速UART可达5Mbps。但这样的数据速率对高宽带的处理器间通信来说也是不够的。

最流行的互连方法之一是通过USB。大多数处理器都具有全速USB功能，全速USB的数据速率最高可达12Mbps。在实际应用中，由于USB协议中必要的包开销较多，因此最高数据速率接近6Mbps。而且大多数基带处理器并没有配备USB解决方案中必需的USB host功能。这样还必须内建另外的USB host。除了不足以达到目前的HSPA数据速率外，还会增加功耗，因为即使在没有数据传输USB host也会一直工作。基带处理器上可用的USB端口数量通常也非常有限，因为手机实际上也用USB方式连接PC机。

以前由于只在慢速网络上传输文本消息和简单的数据，上述互连方法可能足够用了。但随着HSPA功能手机的数据传输速率高达14.4Mbps以上，上述目接口都无法有效地支持必要的吞吐量，并使手机处于最佳工作状态。

那么设计师应如何满足手机中不断增长的数据吞吐量要求呢？

替代性解决方案及其优势

解决处理器间连接问题的潜在方案之一是使用多端口互连，这也是目前许多DBDM架构使用的方法。在这种架构中，缓存式多端口器件作为两个CPU之间的互连桥梁，可以在两者间实现高速数据传输，并有助于在处理器间通信(IPC)时降低功耗。

速度

使用多端口互连的最明显好处是速度。由于存取时间快至40ns，双端口存储器最高可支持400Mbps。这不仅为HSPA功能手机提供了足够的支持，而且为未来吞吐量需求的持续增长(如LTE)奠定了基础。随着手机复杂性的提高，处理器间传输的数据量增加是不可避免的。通过多端口互连，手机设计师将不再面对处理器间通信的瓶颈问题。

功耗

除了高速外，低功耗是DBDM手机的另一个关键要求。如果在IPC过程中要求两个基带处理器一直保持工作(比如在SPI、UART、I2C或USB互连情况下)，电池寿命将大打折扣。除此之外，处理器之间的主动通信需要耗用每个处理器的专门资源，因此会降低它们的性能。

多端口解决方案可以实现处理器之间的被动通信。一个处理器可以在需要时写入到多端口互连，然后进入睡眠模式。另外一个基带处理器则可以根据自身情况随时访问这些数据。由于多端口互连起着缓存的作用，接收处理器可以一直处于睡眠模式，直到从多端口互连收到中断指令才激活。

让我们通过具体例子比较一下多端口IPC解决方案和基于全速USB的IPC方案。有效吞吐量为6Mbps的全速USB方案需要花80秒的时间传输60MB数据或10首MP3歌曲。而使用多端口互连方案以100Mbps的速度(假定为有效吞吐量)传输同样大小的数据只需要5秒。

带1.2V内核的典型基带处理器正常功耗是120mW，睡眠模式时为0.24mW。如果两个处理器在80秒传输时间内都处于工作状态，USB方案将消耗5.33mWH的电流。在多端口方案中，数据传输期间只有一个处理器工作，因此多端口互连耦合(27mW)和处理器一起消耗的总电池能量仅为0.743mWH，相当于在单个IPC场合节省了约85%的功率，这在越来越多的人通过手机下载音乐、照片、收发电子邮件和浏览互联网的今天具有极大的价值。

灵活性

互连缓存的另外一个优点是用多端口器件实现IPC不需要软件驱动程序。因此手机制造商不需要对总体软件IPC架构作大的改动就能轻松地为不同地区推出不同型号的手机。这还为制造商带来了更大的灵活性，他们可以使用在不同处理器上运行的不同操作系统，并根据系统需要而不是IPC限制来选取处理器。

单芯片解决方案

最近推出的单芯片解决方案包含了选定的GSM和CDMA频段，非常值得关注。在这种方案中，由于单芯片需要适应所有必需的功能，因此很多时候都会牺牲一定的特性和性能。而且这些处理器比较新，还没有经过市场的考验。大多数制造商仍喜欢使用经试验和测试过的解决方案，而且通常不愿意在性能要求方面作出太大的妥协。双处理器架构将成为满足不断提高的网络速度和性能要求的有力竞争者。

本文小结

随着HSPA功能手机的推出以及视频和数据内容质量的改进，许多处理器间通信架构也日趋完美。传统的互连架构已无法支持与基带处理器功能和未来移动通信标准匹配的数据吞吐量。一些手机设计师已经开始意识到这个越来越迫切的问题，并在DBDM手机设计中开始使用低功率多端口互连方案。多端口互连不仅能够满足当今手机所需的高带宽和低功耗要求，而且向设计师提供了更大的灵活性，可以帮助他们以更低的成本和更快的上市时间推出更高质量的手机。

表1：“全球手机”制造商和及手机型号。

表2：蜂窝通信标准及相应传输速率。

表3：几种手机处理器常有的通信接口及其缺点。