优化双带双模手机的处理器间通信

　　引言

　　随着全球化的推进，当今以商务和休闲为目的的环球旅行已经非常普遍；伴随着旅行而来的则是要随身携带差旅必备的物品与新兴电子产品 (gadget)。幸运的是，目前的手机功能非常丰富，我们不用再带上 MP3 播放器、便携式导航设备、摄像机和手持式视频游戏机等多个设备。手机每年的出货量超过 10 亿部，已成为人们出门必带的产品。不过，如果带上了手机出国，到了国外却不能用，那真是一件令人头疼的事。日、韩等国与大多数欧洲国家只支持 GSM 不同，他们采用的是 CDMA 和 FOMA 标准。众多其他国家则同时支持 GSM 和 CDMA 这两种不同的标准，但具体采用何种标准取决于所订阅的电信运营商。因此，一部手机不见得能满足全球范围使用的要求。许多旅行者最后不得不带上两部手机，或者在机场购买新的 SIM 卡，然后再把新的电话号码用电子邮件通知朋友和同事。

　　随着手机制造商竞相推出用户希望的“全球性”漫游功能，上述这种不便催生了双带双模 (DBDM) 手机的发展，这种手机能支持真正的全球可用性。DBDM手机是一种包括两个不同基带处理器的手机，有两个插槽，一个可以插 SIM 卡支持 GSM 通道，另一个则用于插入可移动用户识别模块 (RUIM) 支持 CDMA 通道。不过，有些其电路板本身已集成 CDMA 功能块的手机则可能只带一个槽，用于插入 GSM SIM 卡。目前在其产品线中力推“全球性手机”的主力手机制造商包括 RIM、三星、LG、摩托罗拉等。

　　除处理预定的 CDMA 与 GSM 信号外，每个基带处理器还在手机中负责执行各自具体的任务，其中包括支持键区和 LED 等简单应用，乃至操作 LCD 屏幕、摄像头及视频处理等复杂功能。由于两个分立处理器都要接收信号，而且还要分别执行各种不同的其它应用任务，因此必须确保在两个处理器之间高效传输数据，避免最终用户在使用中感觉到延迟，并尽可能减小对电池使用寿命的影响，甚至不影响。随着高分辨率手机摄像头和视频流技术在手机中的应用，手机文件尺寸不断加大，数据传输速率越来越快，这就需要进一步提供这两个分立处理器间的数据处理效率。我们在访问手机中存储的图片或视频时，不是经常因为手机半天没反应而头疼不已吗？这是什么原因造成的呢？

　　随着电信技术的飞速发展，无线数据传输速率已从过去2.5/2.75G手机的 Kbps 级发展到了目前 3.5G HSPA手机的 Mbps 级。WiMax、WiBro、LTE 和 UMB 等目前正投入试用的移动通信标准将进一步提高数据传输速率。为了满足新标准提出的更高速度要求，处理器的处理能力在不断提高，蜂窝网络在不断升级，以适应数据传输速率指数级增长的要求。

　　尽管基带处理器处理能力提高了，蜂窝网络数据传输速率加快了，但手机本身的内部架构仍然很落后，从而限制了手机功能的最佳发挥，这就需要优化处理器间通信架构。相对于蜂窝手机产业技术的指数级发展，电信领域中手机本身的发展比较滞后。目前，我们的基带处理器和应用处理器的处理速度可达每秒百万条指令 (MIPS)， HSPA手机数据传输速率可达 10Mbps 甚至更高。然而，尽管集中精力在提高处理器能力与无线数据传输速率，但处理器间通信一直是一个很大的瓶颈。许多手机设计人员都面临这一问题，即便采用最新、功能最强大的处理器与芯片组，却未能有效提高手机产品的性能。

　　当前解决方案及其缺点

　　目前的手机架构采用多种处理器间通信技术。当前比较流行的直接接口包括SPI、I2C、UART和USB。

　　尽管 SPI 能支持 20Mbps 以上的数据传输速率，但其没有统一的规范，因此主要取决于采用什么样的处理器。若采用基带处理器， SPI 一般可支持约 16Mbps的数据传输速率。由于众多基带处理器制造商推出各自的专利产品，因此不同基带处理器上不同的SPI接口会对设计人员提出不同的挑战，难以将两个不同基带处理器成功配对，以实现最佳SPI 速度。

　　另一方面，尽管最新 I2C 规范提出了吞吐量高达 3.4Mbps的高速模式，但目前可用的大多数设备只能支持400Kbps到1Mbps的数据传输速率。就这种速度而言，I2C 对目前的电信需求来说太慢了。

　　手机中的第三类互连技术就是UART。UART的典型数据传输速率约为 1.5Mbps，而高速UART 则支持高达 5Mbps 的速率。但，这种数据传输速率还是不能满足高带宽处理器间通信的要求。

　　比较流行的一种互连技术是采用通用串行总线 (USB) 接口。大多数处理器都具备全速USB（FS-USB）性能。FS-USB的最大数据传输速率为 12Mbps，由于USB协议本身的数据包开销较高，因此其实际吞吐量约为 6Mbps。此外，大多数基带处理器不具备 USB 主机功能，而这对 USB 解决方案来说又是必需的。因此，我们必须内置额外的 USB 主机功能。USB连接技术不但不能满足目前HSPA手机的数据传输速率要求外，而且还会增加功耗，这是因为USB主机即便在不传输数据时也始终保持工作状态。此外，基带处理器上可用的 USB 端口数量通常也受限制，因为USB也是手机连接到PC的实际标准。

　　此前，就较慢网络上的文本消息和简单的数据传输而言，上述互连技术基本还算够用。但是，由于 HSPA手机数据传输速度可达14.4Mbps甚至更高，以上这些目前流行的接口将难以以高效、最佳的方式支持所需吞吐量。

　　那么，设计人员怎么才能满足当前对手机更高吞吐量的需求呢？

　　备选解决方案及其优点

　　解决处理器间互连问题的一种潜在解决方案就是采用多端口互连技术，这也是目前众多DBDM架构所使用的一种技术。在 DBDM 架构中，缓冲多端口器件作为两个CPU之间的互连机制，能支持两者之间的高速数据传输，而且也有助于降低处理器间通信 (IPC) 的功耗。

　　速度

　　采用多端口互连技术的最明显优势就在于速度高。双端口存储器的存取时间仅为 40ns，能支持高达 400Mbps 的数据传输速度，这不仅足以满足目前HSPA手机要求，而且还为今后吞吐量需求的进一步提升奠定了坚实的基础（比方说 LTE 标准）。随着手机技术日益复杂，处理器间传输的数据量肯定会不断加大。利用多端口互连技术，手机设计人员将不再被处理期间通信瓶颈的问题所困扰。

　　功耗

　　除了高速之外，低功耗也是 DBDM 手机的一大关键要求。如果在整个 IPC 期间两个基带处理器都要求保持工作状态（如SPI、UART、I2C或USB一样），那么肯定会影响电池使用寿命。除此之外，处理器间保持通信还要占用各自的专用资源，从而降低处理器性能。

　　多端口解决方案支持处理器间的无源通信。处理器可根据需要写入多端口互连，然后再进入睡眠模式。另一个基带处理器可根据需要在方便的时候存取数据。由于多端口互连机制作为缓冲，因此接收方处理器可在收到多端口互连中断之间一直处于睡眠模式，只在需要接收数据的时候再进入工作状态。

　　我们不妨看看下面这个例子，比较一下多端口 IPC 解决方案和基于 FS-USB 的 IPC 解决方案。实际吞吐量为 6Mbps 的 FS-USB 解决方案传输 480Mb（60MB）数据或 10 首 MP3 歌曲需要 1 分20 秒的时间，而用多端口互连技术传输同样的数据量只需要 5 秒钟（假定实际吞吐量为 100Mbps）。核心电压为 1.2V 的典型基带处理器工作时功耗为 120mW，睡眠模式下功耗为 0.24mW。如果两个处理器在 80 秒钟的 IPC期间一直处于工作状态，那么采用 USB 的解决方案功耗就为 5.33mWH [（120x2） x 80/3600]，而采用多端口技术时在数据传输期间只有一个处理器工作，处理器加上多端口互连（~27mW）的总电池耗电量仅为0.743mWH [（（（120 + 0.24） x 2） + 27） x 10/3600]。也就是说，在一次 IPC 期间，我们就实现了 85% 的节电效果，随着人们用手机下载音乐、图片、电子邮件以及浏览因特网越来越多，这种节电功能必将发挥巨大作用。

　　灵活性

　　互连缓冲的另一优势在于，采用多端口器件实施 IPC时无需软件驱动程序，这就使手机制造商基本不用修改整体软件 IPC 架构就能针对不同地区推出不同型号的产品。这就提高了制造商在不同处理器上采用不同操作系统的灵活性，并能根据系统需求灵活地选择处理器，而不必受到 IPC 的局限。

　　单芯片解决方案

　　近期推出的单芯片解决方案包括了GSM和CDMA的选定频带，这是一项令人感兴趣的新发展。在这种解决方案中，由于要在单芯片上集成所有必需的功能，通常会在特性与性能上进行取舍。这种处理器比较新，还没有完全经过市场的检验。大多数制造商仍然希望采用业经验证的解决方案，通常不希望在性能要求方面折衷。因此，从提高网络传输速率以及满足特性要求方面来说，双处理器架构是较理想的选择。

　　结论

　　随着 HSPA手机的发展，以及视频与数字内容质量的改进，这在近期会催生处理器间通信架构的革命性发展。传统的互连机制已不再适应基带处理器数据吞吐量的要求，也不能满足未来移动通信标准发展的要求。一些手机设计人员已经开始认识到这个悬而未决的问题，并开始在 DBDM 手机中转而采用低功耗的多端口互连技术。多端口互连技术不仅能支持当前手机设计方案的高带宽与低功耗要求，而且还能帮助设计人员灵活地推出成本更低、质量更高、上市速度更快的手机。