模塊化結構在便攜式設備設計中的應用

將多種功能融合于一部便攜式設備之中給設計人員提出了新的挑戰。如今，產品生命周期變得越來越短，而嵌入式應用也在迅速發展。OEM們難以負擔為每一代新產品都設計一種全新的平臺，他們現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計就可以增加新功能。本文介紹的利用存儲器總線構建的模塊化結構同時具有模塊化的可升級特性和存儲器總線優良的互連特性。
　　
　　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。
　　
　　定義模塊化架構
　　

　　圖1：帶4個子系統的模塊化架構示例。
　　
　　一種靈活的架構應該包括能單獨升級并對其他模塊影響最小的多個子系統。每一子系統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等)。
　　
　　圖1顯示一種采用4個子系統的模塊化架構例子。其中一個子系統專用于通信且一般以基帶modem為核心；另一個子系統用于應用且以應用處理器為核心(例如運行3D游戲或支持PDA功能等)；第三個子系統用于提供與視頻廣播(DMB或DVB-H)的連接；第四個子系統則專用于音頻處理(例如支持MP3播放機功能等)。
　　
　　這些子系統可用來構建某些特定平臺。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準(從GPRS到W-CDMA等)，或將現有協議升級(例如為現有W-CDMA基帶增加HSDPA等)。同樣，應用子系統可升級成支持各種由無線標準所支持的功能(如游戲及OS升級等)。
　　
　　用經得起時間考驗的接口連接子系統
　　
　　為了將每次升級的影響降至最低，各子系統必須通過一個接口(將用于下一代芯片組上)與其他子系統相連，并能支持下一代平臺所需的足夠吞吐量。
　　
　　每一子系統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等新標準的吞吐量要求；而高速接口則通常涉及專用協議，這些協議不僅在各芯片供應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準讀寫操作來交換數據。圖2顯示一種采用雙端口互連的基帶調制解調器與視頻處理器例子。

　　
　　圖2：用雙端口來連接兩個子系統的手機框圖。
　　
　　雙端口還允許通過為現有架構增加處理單元對現有系統進行升級。在圖2所示例子中，通信子系統即可作為一個現有系統。增加新處理器不需現有系統有很大的改動，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)或調制解調器(如增加新的通信頻段、3G加速、802.11連接或視頻廣播等)。

　　模塊化戰略
　　
　　除可以較短的開發時間來進行升級以外，模塊化架構還能最大限度地復用為特定子系統所開發的IP。通過在多個平臺間再利用相似模塊來構建，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計中使用一片基帶芯片，然后通過雙端口互連增加不同應用處理器來將功能增強多次以創建其他新產品。雙端口互連可以將兩個完全不同的應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用。
　　
　　在開發下一代基帶時，可通過只升級通信子系統而保持應用不變來復用以前開發的應用IP。利用此方法，可以最小的軟件及系統架構改造實現現有架構從一個頻帶(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。通過提供用于與現有存儲器總線連接的標準SRAM接口，它不僅能使現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)半導體公司利用其在雙端口架構及低功率技術方面的專長來構建專為移動平臺設計的低成本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備架構其他方面的要求。

　　
　　圖3：采用模塊化架構戰略的手機系統。
　　
　　在功率方面，Cypress的MoBL的低泄漏技術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，隨著對無線系統的帶寬要求在不斷增加。無線系統現在還要求能支持數據速率高達11Mbps的802.11b等非蜂窩技術。一些處理器上可用的標準低速率串行互連，通常難以提供所需的帶寬，而Cypress MoBL雙端口則能在x16總線上提供執行時間為35ns的快速訪問，吞吐量高達400Mbps，超過3G、WiFi或視頻廣播所需的數據速率。
　　
　　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送中斷信號，這可用來向其他處理器發送數據可下載的信號。
　　
　　手機系統設計者希望能減少GPIO引腳的數量，這些引腳用來驅動諸如讀某些外部DIP開關或點亮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處理器。輸入讀寄存器(IRR)將兩個外部二進制器件(如DIP開關)的狀態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視這兩個器件的狀態。輸出驅動寄存器(ODR)可驅動多達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據來控制多達5個外部器件。
　　
　　本文小結
　　
　　為保持競爭力，便攜式設備OEM們現在采用模塊化設計戰略，以使其能迅速進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略的實現成為可能。它允許創建可單獨演進并通過其存儲器接口來相互通信的多個子系統。為響應這一新的需求，Cypress公司設計了專用于此類應用的新型MoBL雙端口，并使其成為一種低功率雙端口器件。