模块化结构在便携式设备设计中的应用分析

将多种功能融合于一部便携式设备之中给设计人员提出了新的挑战。如今，产品生命周期变得越来越短，而嵌入式应用也在迅速发展。OEM们难以负担为每一代新产品都设计一种全新的平台，他们现在选择更灵活性的模块化平台，这些平台很容易升级，而且只需很少的重新设计就可以增加新功能。本文介绍的利用存储器总线构建的模块化结构同时具有模块化的可升级特性和存储器总线优良的互连特性。
　　
　　这其中最好的例子是在手机市场。今天，除基本的语音功能外，手机还必须具有照相、视频、游戏、802.11连接、MP3、计算机同步以及各种日新月异的新功能。随着类似功能的融合，PDA和便携式游戏机也正面临同样的挑战。
　　
　　定义模块化架构
　　

　　图1：带4个子系统的模块化架构示例。
　　
　　一种灵活的架构应该包括能单独升级并对其他模块影响最小的多个子系统。每一子系统都支持从其他功能独立演变而来的特定功能(例如，可从视频功能独立演变而来的无线技术等)。
　　
　　图1显示一种采用4个子系统的模块化架构例子。其中一个子系统专用于通信且一般以基带modem为核心；另一个子系统用于应用且以应用处理器为核心(例如运行3D游戏或支持PDA功能等)；第三个子系统用于提供与视频广播(DMB或DVB-H)的连接；第四个子系统则专用于音频处理(例如支持MP3播放机功能等)。
　　
　　这些子系统可用来构建某些特定平台。入门级平台可能只采用其中的某一个模块(例如，用于PDA的应用模块、用于手机的通信模块以及用于MP3播放机的音频模块等)。更高级的平台则根据特定功能及市场可能会采用其中两个、三个乃至四个模块。
　　
　　在这种模块化架构中，每一模块都能单独升级。例如，通信模块可升级成支持不同无线标准(从GPRS到W-CDMA等)，或将现有协议升级(例如为现有W-CDMA基带增加HSDPA等)。同样，应用子系统可升级成支持各种由无线标准所支持的功能(如游戏及OS升级等)。
　　
　　用经得起时间考验的接口连接子系统
　　
　　为了将每次升级的影响降至最低，各子系统必须通过一个接口(将用于下一代芯片组上)与其他子系统相连，并能支持下一代平台所需的足够吞吐量。
　　
　　每一子系统通常都以一个处理器件为核心(例如ASIC、DSP及GPP等)。今天，这些处理器大多缺少这样一种接口：串行接口速度太慢不能支持3G、视频或802.11等新标准的吞吐量要求；而高速接口则通常涉及专用协议，这些协议不仅在各芯片供应商之间不提供兼容性，而且还在每次模块升级时需要很多的软件改动及验证工作。
　　
　　存储器总线不失为一种良好的互连选择，它不仅支持所有处理器而且将来还能支持存储器接口，所达到的带宽也高于目前的要求(以x16总线上55vns的存取时间带宽可达290Mbps)。两条存储器总线可通过双端口互连连接在一起。
　　
　　双端口互连是一种允许两个处理单元独立访问一个共用存储器空间的存储器映射器件。它允许这些处理单元通过其存储器总线并利用标准读写操作来交换数据。图2显示一种采用双端口互连的基带调制解调器与视频处理器例子。

　　
　　图2：用双端口来连接两个子系统的手机框图。
　双端口还允许通过为现有架构增加处理单元对现有系统进行升级。在图2所示例子中，通信子系统即可作为一个现有系统。增加新处理器不需现有系统有很大的改动，因为原有处理器仅能“感觉”到其总线上增加了新的存储器。双端口的一个端口与现有处理器的存储器总线相连，而另一个端口则用SRAM接口与任意类型的器件相连。这些器件可包括任意类型的处理器(如增加游戏、MP3、视频甚至PDA功能等)或调制解调器(如增加新的通信频段、3G加速、802.11连接或视频广播等)。

　　模块化战略
　　
　　除可以较短的开发时间来进行升级以外，模块化架构还能最大限度地复用为特定子系统所开发的IP。通过在多个平台间再利用相似模块来构建，整个系列可以演变出不同可用模块来。
　　
　　图3显示一种基于此模块化方法的手机系列，其中先在最简单的设计中使用一片基带芯片，然后通过双端口互连增加不同应用处理器来将功能增强多次以创建其他新产品。双端口互连可以将两个完全不同的应用处理器以最小改动增加至基带处理器上。这不仅给新平台创造了市场并使其具有成本差异性，而且还能支持采用相同通信模块的其他应用。
　　
　　在开发下一代基带时，可通过只升级通信子系统而保持应用不变来复用以前开发的应用IP。利用此方法，可以最小的软件及系统架构改造实现现有架构从一个频带(例如GPRS)移至另一个频带(例如CDMA)。
　　
　　赛普拉斯MoBL双端口
　　
　　双端口是迄今为止最为灵活的处理器间互连。通过提供用于与现有存储器总线连接的标准SRAM接口，它不仅能使现有处理器几乎可与任何其他处理器相连，而且还能提供高带宽，并能简化及减少通信软件开销。
　　
　　Cypress(赛普拉斯)半导体公司利用其在双端口架构及低功率技术方面的专长来构建专为移动平台设计的低成本MoBL(More Battery Life，更长电池寿命)双端口。Cypress MoBL双端口还能满足新型手持式设备架构其他方面的要求。

　　
　　图3：采用模块化架构战略的手机系统。
　　
　　在功率方面，Cypress的MoBL的低泄漏技术使双端口的待机功耗在1.8V时可低至3.6uW。由于市场上充斥各种基带处理器及其他处理器，它还支持多种I/O电压(1.8V、2.5V及3V)。
　　
　　此外，随着对无线系统的带宽要求在不断增加。无线系统现在还要求能支持数据速率高达11Mbps的802.11b等非蜂窝技术。一些处理器上可用的标准低速率串行互连，通常难以提供所需的带宽，而Cypress MoBL双端口则能在x16总线上提供执行时间为35ns的快速访问，吞吐量高达400Mbps，超过3G、WiFi或视频广播所需的数据速率。
　　
　　小占位面积则是另一项要求，Cypress MoBL双端口可以裸片提供，或采用小型6×6mm 0.5mm间距BGA封装。
　　
　　在功能方面，Cypress MoBL双端口可与任何其他Cypress异步双端口相媲美。当两个端口试图同时访问同一存储器空间时，即会给出“忙”信号，以提供内建仲裁。其邮箱功能可使两个处理器只需简单地写入具体位置即可互相发送中断信号，这可用来向其他处理器发送数据可下载的信号。
　　
　　手机系统设计者希望能减少GPIO引脚的数量，这些引脚用来驱动诸如读某些外部DIP开关或点亮LED等极为简单的功能。Cypress MoBL双端口通过将输入读寄存器及输出驱动寄存器合并在其特性中而能使上述某些信号从外部抵达处理器。输入读寄存器(IRR)将两个外部二进制器件(如DIP开关)的状态捕获至特定存储器空间中。只需简单地读双端口，任何一个处理器都能监视这两个器件的状态。输出驱动寄存器(ODR)可驱动多达5个中断信号，这使得任何一个处理器都能通过只在双端口特定位置上写数据来控制多达5个外部器件。
　　
　　本文小结
　　
　　为保持竞争力，便携式设备OEM们现在采用模块化设计战略，以使其能迅速进行平台升级并能缩短新手机的面市时间。双端口通过提供高吞吐量及存储器映射互连使这种战略的实现成为可能。它允许创建可单独演进并通过其存储器接口来相互通信的多个子系统。为响应这一新的需求，Cypress公司设计了专用于此类应用的新型MoBL双端口，并使其成为一种低功率双端口器件。