模塊化結(jié)構(gòu)在便攜式設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

將多種功能融合于一部便攜式設(shè)備之中給設(shè)計人員提出了新的挑戰(zhàn)。如今，產(chǎn)品生命周期變得越來越短，而嵌入式應(yīng)用也在迅速發(fā)展。OEM們難以負(fù)擔(dān)為每一代新產(chǎn)品都設(shè)計一種全新的平臺，他們現(xiàn)在選擇更靈活性的模塊化平臺，這些平臺很容易升級，而且只需很少的重新設(shè)計就可以增加新功能。本文介紹的利用存儲器總線構(gòu)建的模塊化結(jié)構(gòu)同時具有模塊化的可升級特性和存儲器總線優(yōu)良的互連特性。
　　
　　這其中最好的例子是在手機市場。今天，除基本的語音功能外，手機還必須具有照相、視頻、游戲、802.11連接、MP3、計算機同步以及各種日新月異的新功能。隨著類似功能的融合，PDA和便攜式游戲機也正面臨同樣的挑戰(zhàn)。
　　
　　定義模塊化架構(gòu)
　　

　　圖1：帶4個子系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)示例。
　　
　　一種靈活的架構(gòu)應(yīng)該包括能單獨升級并對其他模塊影響最小的多個子系統(tǒng)。每一子系統(tǒng)都支持從其他功能獨立演變而來的特定功能(例如，可從視頻功能獨立演變而來的無線技術(shù)等)。
　　
　　圖1顯示一種采用4個子系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)例子。其中一個子系統(tǒng)專用于通信且一般以基帶modem為核心；另一個子系統(tǒng)用于應(yīng)用且以應(yīng)用處理器為核心(例如運行3D游戲或支持PDA功能等)；第三個子系統(tǒng)用于提供與視頻廣播(DMB或DVB-H)的連接；第四個子系統(tǒng)則專用于音頻處理(例如支持MP3播放機功能等)。
　　
　　這些子系統(tǒng)可用來構(gòu)建某些特定平臺。入門級平臺可能只采用其中的某一個模塊(例如，用于PDA的應(yīng)用模塊、用于手機的通信模塊以及用于MP3播放機的音頻模塊等)。更高級的平臺則根據(jù)特定功能及市場可能會采用其中兩個、三個乃至四個模塊。
　　
　　在這種模塊化架構(gòu)中，每一模塊都能單獨升級。例如，通信模塊可升級成支持不同無線標(biāo)準(zhǔn)(從GPRS到W-CDMA等)，或?qū)F(xiàn)有協(xié)議升級(例如為現(xiàn)有W-CDMA基帶增加HSDPA等)。同樣，應(yīng)用子系統(tǒng)可升級成支持各種由無線標(biāo)準(zhǔn)所支持的功能(如游戲及OS升級等)。
　　
　　用經(jīng)得起時間考驗的接口連接子系統(tǒng)
　　
　　為了將每次升級的影響降至最低，各子系統(tǒng)必須通過一個接口(將用于下一代芯片組上)與其他子系統(tǒng)相連，并能支持下一代平臺所需的足夠吞吐量。
　　
　　每一子系統(tǒng)通常都以一個處理器件為核心(例如ASIC、DSP及GPP等)。今天，這些處理器大多缺少這樣一種接口：串行接口速度太慢不能支持3G、視頻或802.11等新標(biāo)準(zhǔn)的吞吐量要求；而高速接口則通常涉及專用協(xié)議，這些協(xié)議不僅在各芯片供應(yīng)商之間不提供兼容性，而且還在每次模塊升級時需要很多的軟件改動及驗證工作。
　　
　　存儲器總線不失為一種良好的互連選擇，它不僅支持所有處理器而且將來還能支持存儲器接口，所達(dá)到的帶寬也高于目前的要求(以x16總線上55vns的存取時間帶寬可達(dá)290Mbps)。兩條存儲器總線可通過雙端口互連連接在一起。
　　
　　雙端口互連是一種允許兩個處理單元獨立訪問一個共用存儲器空間的存儲器映射器件。它允許這些處理單元通過其存儲器總線并利用標(biāo)準(zhǔn)讀寫操作來交換數(shù)據(jù)。圖2顯示一種采用雙端口互連的基帶調(diào)制解調(diào)器與視頻處理器例子。

　　
　　圖2：用雙端口來連接兩個子系統(tǒng)的手機框圖。
　　
　　雙端口還允許通過為現(xiàn)有架構(gòu)增加處理單元對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級。在圖2所示例子中，通信子系統(tǒng)即可作為一個現(xiàn)有系統(tǒng)。增加新處理器不需現(xiàn)有系統(tǒng)有很大的改動，因為原有處理器僅能“感覺”到其總線上增加了新的存儲器。雙端口的一個端口與現(xiàn)有處理器的存儲器總線相連，而另一個端口則用SRAM接口與任意類型的器件相連。這些器件可包括任意類型的處理器(如增加游戲、MP3、視頻甚至PDA功能等)或調(diào)制解調(diào)器(如增加新的通信頻段、3G加速、802.11連接或視頻廣播等)。

　　模塊化戰(zhàn)略
　　
　　除可以較短的開發(fā)時間來進(jìn)行升級以外，模塊化架構(gòu)還能最大限度地復(fù)用為特定子系統(tǒng)所開發(fā)的IP。通過在多個平臺間再利用相似模塊來構(gòu)建，整個系列可以演變出不同可用模塊來。
　　
　　圖3顯示一種基于此模塊化方法的手機系列，其中先在最簡單的設(shè)計中使用一片基帶芯片，然后通過雙端口互連增加不同應(yīng)用處理器來將功能增強多次以創(chuàng)建其他新產(chǎn)品。雙端口互連可以將兩個完全不同的應(yīng)用處理器以最小改動增加至基帶處理器上。這不僅給新平臺創(chuàng)造了市場并使其具有成本差異性，而且還能支持采用相同通信模塊的其他應(yīng)用。
　　
　　在開發(fā)下一代基帶時，可通過只升級通信子系統(tǒng)而保持應(yīng)用不變來復(fù)用以前開發(fā)的應(yīng)用IP。利用此方法，可以最小的軟件及系統(tǒng)架構(gòu)改造實現(xiàn)現(xiàn)有架構(gòu)從一個頻帶(例如GPRS)移至另一個頻帶(例如CDMA)。
　　
　　賽普拉斯MoBL雙端口
　　
　　雙端口是迄今為止最為靈活的處理器間互連。通過提供用于與現(xiàn)有存儲器總線連接的標(biāo)準(zhǔn)SRAM接口，它不僅能使現(xiàn)有處理器幾乎可與任何其他處理器相連，而且還能提供高帶寬，并能簡化及減少通信軟件開銷。
　　
　　Cypress(賽普拉斯)半導(dǎo)體公司利用其在雙端口架構(gòu)及低功率技術(shù)方面的專長來構(gòu)建專為移動平臺設(shè)計的低成本MoBL(More Battery Life，更長電池壽命)雙端口。Cypress MoBL雙端口還能滿足新型手持式設(shè)備架構(gòu)其他方面的要求。

　　
　　圖3：采用模塊化架構(gòu)戰(zhàn)略的手機系統(tǒng)。
　　
　　在功率方面，Cypress的MoBL的低泄漏技術(shù)使雙端口的待機功耗在1.8V時可低至3.6uW。由于市場上充斥各種基帶處理器及其他處理器，它還支持多種I/O電壓(1.8V、2.5V及3V)。
　　
　　此外，隨著對無線系統(tǒng)的帶寬要求在不斷增加。無線系統(tǒng)現(xiàn)在還要求能支持?jǐn)?shù)據(jù)速率高達(dá)11Mbps的802.11b等非蜂窩技術(shù)。一些處理器上可用的標(biāo)準(zhǔn)低速率串行互連，通常難以提供所需的帶寬，而Cypress MoBL雙端口則能在x16總線上提供執(zhí)行時間為35ns的快速訪問，吞吐量高達(dá)400Mbps，超過3G、WiFi或視頻廣播所需的數(shù)據(jù)速率。
　　
　　小占位面積則是另一項要求，Cypress MoBL雙端口可以裸片提供，或采用小型6×6mm 0.5mm間距BGA封裝。
　　
　　在功能方面，Cypress MoBL雙端口可與任何其他Cypress異步雙端口相媲美。當(dāng)兩個端口試圖同時訪問同一存儲器空間時，即會給出“忙”信號，以提供內(nèi)建仲裁。其郵箱功能可使兩個處理器只需簡單地寫入具體位置即可互相發(fā)送中斷信號，這可用來向其他處理器發(fā)送數(shù)據(jù)可下載的信號。
　　
　　手機系統(tǒng)設(shè)計者希望能減少GPIO引腳的數(shù)量，這些引腳用來驅(qū)動諸如讀某些外部DIP開關(guān)或點亮LED等極為簡單的功能。Cypress MoBL雙端口通過將輸入讀寄存器及輸出驅(qū)動寄存器合并在其特性中而能使上述某些信號從外部抵達(dá)處理器。輸入讀寄存器(IRR)將兩個外部二進(jìn)制器件(如DIP開關(guān))的狀態(tài)捕獲至特定存儲器空間中。只需簡單地讀雙端口，任何一個處理器都能監(jiān)視這兩個器件的狀態(tài)。輸出驅(qū)動寄存器(ODR)可驅(qū)動多達(dá)5個中斷信號，這使得任何一個處理器都能通過只在雙端口特定位置上寫數(shù)據(jù)來控制多達(dá)5個外部器件。
　　
　　本文小結(jié)
　　
　　為保持競爭力，便攜式設(shè)備OEM們現(xiàn)在采用模塊化設(shè)計戰(zhàn)略，以使其能迅速進(jìn)行平臺升級并能縮短新手機的面市時間。雙端口通過提供高吞吐量及存儲器映射互連使這種戰(zhàn)略的實現(xiàn)成為可能。它允許創(chuàng)建可單獨演進(jìn)并通過其存儲器接口來相互通信的多個子系統(tǒng)。為響應(yīng)這一新的需求，Cypress公司設(shè)計了專用于此類應(yīng)用的新型MoBL雙端口，并使其成為一種低功率雙端口器件。