基于COMIP芯片的SCDMA终端省电功能的设计与实现.doc

基于COMIP芯片的SCDMA终端省电功能的设计与实现刘 霆（北京信威通信技术股份有限公司 北京 100094）摘要 本文介绍了基于COMIP芯片的SCDMA终端省电设计方案、省电功能的实现过程及其最终的测试结果。从最终的测试结果来看，这套省电方案是成功的，达到了预期的要求，取得了满意的效果。关键词省电控制； COMIP； SCDMA； 睡眠唤醒； 待机时间移动终端的待机时间一直都是用户和厂家关注的重点，待机时间是移动终端性能的重要体现，因此省电设计也成为移动终端设计的关键点。信威公司采用大唐微电子的COMIP（面向通信的综合信息处理SOC平台）芯片作为SCDMA终端的基带处理芯片，结合COMIP芯片的特点和SCDMA系统对终端的要求，设计出一套高效可行的终端省电方案。1基于COMIP芯片的SCDMA终端结构及其原理基于COMIP芯片的SCDMA终端结构如图1所示，COMIP芯片是一款双核（ARM946eZSP400）基带处理芯片，含ABB（模拟基带）功能。射频芯片采用RDA公司专门为SCDMA系统设计的RF（射频）套片。COMIP芯片的ARM处理器负责完成MMI（人机接口）、协议栈等功能；ZSP400处理器负责信号的调制解调，语音信号的编解码；ARM和ZSP通过MailBox实现信息交互；音频CODEC（编解码器）实现语音信息的输入和输出，RFIF（射频接口）实现ABB与RF之间数据的传递，Combo Memory（FLASHSRAM）存放程序和系统数据，KBS、LCD、PWM等实现MMI功能的输入和输出，系统时钟为高速时钟16.384 MHz和低速时钟32.768 kHz。2基于COMIP芯片的SCDMA终端的省电方案（1）睡眠模式的进入及其分类终端开机注册完成后，ARM和ZSP可以分别进入睡眠状态：在没有呼入呼出任务时（包括数据业务），ZSP进入睡眠状态；在没有呼入呼出任务，也没有用户操作时，ARM进入睡眠状态；根据SCDMA终端和基站的同步状态，将睡眠方式定义为正常睡眠和深睡眠（含随机睡眠），深睡眠下，终端和基站处于失步状态，不需精确定时。（2）唤醒模式的功能及其同步偏差范围SCDMA系统要求终端每隔1.28 s被唤醒一次，接收基站信息、调整下行同步、检测基站的寻呼消息；如果有寻呼消息，要求终端立即从睡眠状态返回到正常工作状态，处理寻呼消息。如果系统存在相邻频点可用，要求终端进行邻频监视。为了保证终端睡眠定时的精度，需要及时补偿睡眠计数器工作时钟的误差，终端唤醒点必须落在最大允许同步偏差70 s范围内，保证与基站同步。（3）睡眠定时关键点的控制ZSP通过RFIF计数器实现对各个定时关键点的控制，比如睡眠唤醒计数器的使能点，3次唤醒ZSP的中断点等。这样通过硬件定时器来保证睡眠定时点的精度，规避了软件定时导致唤醒点出现较大抖动的问题。（4）ARM低功耗模式的进入ARM在最低优先级任务中检测各任务的空闲状态，如果没有呼入、呼出，也没有用户操作，ARM将关闭高速时钟（16.384 MHz），进入低功耗状态，此时，终端睡眠期间功耗降到最低。具体要求是：在电池输出电压恒定的情况下，保证输出电流低于5 mA。（5）时钟校准与误差补偿需要校准的时钟有：基带处理的32.768 kHz时钟和16.384 MHz时钟，它们与基站时钟是独立的。这两个时钟的误差范围是3105。RFIF计数器是基于16.384 MHz时钟，每帧（10 ms）误差是0.3 s，需要通过同步调整进行补偿。（6）采用变频技术进一步降低能耗在通话状态下，ZSP软件需要进行语音编解码，调制并发射上行数据，对MIPS要求比较高。而在其他状态下，对MIPS要求比较低，因此，在非通话状态下可以将ZSP的时钟频率由100 MHz降至50 MHz，减少系统的功耗。3基于COMIP芯片的SCDMA终端省电功能的实现3.1SCDMA终端省电功能硬件实现（1） 高速和低速睡眠计数器接力定时，大大降低了系统的功耗COMIP芯片的睡眠唤醒定时由内部的高速和低速计数器通过接力完成，高速计数器的时钟源是16.384 MHz，低速计数器的时钟源是32.768 kHz。高速和低速睡眠唤醒计数器的接力过程如图2所示，T为定时总时长，T32为低速时钟计数器一个周期的定时时长，m为相位误差补偿因子（m1），该接力过程的特点是：用高速时钟补偿低速时钟由于计数起始相位不确定带来的定时误差；在睡眠过程中可以关闭高速时钟，只用低速时钟定时，从而大大降低了系统功耗。（2） COMIP芯片内核（ARM946eZSP400）的省电模式ARM946e核的低功耗模式是ARM WAIT模式，ARM核处于INACTIVE状态，CACHE模块处于低功耗状态，只有中断和DEBG模块正常工作。ZSP400核的低功耗模式有：ZSP IDLE、ZSP SLEEP、ZSP HALT。（3） 各功能模块的时钟门控用户可以通过软件打开或关闭系统各功能模块的工作时钟和内部总线时钟，根据实际情况关闭没有用的模块，达到省电的目的。（4） 辅助控制开关COMIP芯片提供4个辅助控制开关，用于外围辅助电路的开关控制，当系统进入睡眠时，通过辅助控制开关自动关闭外围电路的电源或时钟，系统唤醒之前，又通过辅助控制开关提前打开这些外围电路的电源或时钟，保证这些外围模块在系统唤醒之前就正常工作，这样既保证了系统稳定性，又达到了省电的目的。（5） 睡眠唤醒计数器溢出时自动启动RFIF计数器睡眠唤醒计数器溢出时自动启动RFIF计数器，RFIF计数器是16 bit宽度定时器，时钟频率为1.6384 MHz，用于SCDMA终端与基站保持同步。RFIF计数器由ZSP进行控制，实现终端与系统的同步定时，这样采用RFIF计数器的中断唤醒ZSP，更容易保证唤醒点落在系统要求的同步偏差范围之内。3.2SCDMA终端省电功能软件实现利用COMIP芯片内部的睡眠唤醒计数器进行睡眠定时，通过RFIF计数器严格控制睡眠唤醒过程中的关键点，辅助控制开关控制射频电路的电源和时钟的开启和关闭，ARM程序借助内部定时器Timer1完成辅助定时。软件部分由ARM和ZSP程序共同完成，两者之间通过MailBox进行消息传递。ARM程序为省电控制创建了省电控制任务和睡眠事件组，省电控制任务通过查询标记各任务忙闲的事件组，来决定ARM是否进入低功耗状态；另外，为了确保睡眠流程的实时性，ARM程序将睡眠状态机程序放在低级中断程序中完成，配合ZSP程序进行睡眠时长计算，ZSP时钟控制等。ZSP是一单线程状态机程序，通过接收ARM消息实现状态转移，当ZSP程序接收到睡眠消息，从待机状态转移到睡眠状态，如果需要接收邻频时进入睡眠邻频状态，接收完邻频，退回睡眠状态，一旦收到激活消息，将立即从睡眠状态返回到待机状态，另外，ZSP还需完成时钟的校准和补偿。3.3SCDMA终端睡眠唤醒流程睡眠唤醒流程是SCDMA省电控制的关键流程，具体的实现过程如图3所示。 在满足睡眠条件时，ARM给ZSP发送睡眠命令，并指明类型：0为普通睡眠，1为深睡眠（含随机睡眠）。 ZSP收到睡眠消息后，发送睡眠中断给ARM。 ZSP等待RFIF计数器计到0x20D0后，发送睡眠消息给ARM，引发ARM的MailBox中断。 ARM收到睡眠MailBox中断后，根据帧号和MID号计算睡眠时长，设置睡眠唤醒计数器初值，设置辅助控制开关计数门限值（辅助开关为打开状态，射频的电源和时钟打开），设置并启动Timer1（初值为400 s）。 ZSP等待RFIF计数器计到0x2500时，补偿时钟误差，打开睡眠唤醒计数器（辅助开关为关闭状态，射频的电源和时钟关闭），设置RFIF计数器中断控制寄存器值为819（用于唤醒ZSP），ZSP进入IDLE状态。 ARM响应Timer1定时中断，进一步确认ZSP是否已经打开睡眠唤醒计数器，若没有，ARM再次打开睡眠唤醒计数器，关闭ZSP时钟。省电控制任务不断查询睡眠事件组，如果各任务为空闲状态，ARM将进入ARM WAIT状态。 当睡眠唤醒计数器的计数值达到辅助控制开关门限值时，辅助控制开关被自动打开，射频电源和射频时钟开始正常工作。 当睡眠唤醒计数器计到0时，产生中断，唤醒ARM。ARM被唤醒后，启动ZSP时钟（确保ZSP在RFIF计数器中断到来之前正常工作）。 500 s后，ZSP被RFIF计数器中断唤醒，依次完成“3次”唤醒操作。4基于COMIP芯片的SCDMA终端省电功能的测试结果SCDMA终端省电功能的测试结果见图4图6。从图4可以看出SCDMA终端开机后不同阶段