智能终端双处理器架构

概要

智能手机包含两个处理器，澄清这里“双处理器”它不指两个微处理器核心，但有两个处理器平台--应用处理器和基带处理。从本质上讲，一个智能终端中包含多个微处理器内核，除了应用处理器的4核、8核和基带处理器的控制内核、DSP以及两者的电源管理。还包含射频芯片、WIFI、蓝牙、GPS、触摸屏、陀螺仪等。当然基带处理器中可能集成了射频芯片、WIFI等。应用处理器是主控处理器，包含基带处理器等全部外围设备都由其管理。本文仅仅阐述了智能终端中应用处理器和基带处理器架构。

应用处理器AP作为主控制器，具有很强的处理运算能力，其上执行Windows 8、Android、IOS等操作系统、用户界面和应用程序。基带处理器BP则由实时操作系统控制，执行在还有一个分开的CPU上，实现空中接口、执行通讯相关功能。包含GPRS、EDGE 、3G & HSDPA、LTE等协议栈。

基带处理器的dbb(数字基带芯片)部分主要完毕语音信号的A/D、D/A转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和基带处理器的时序控制。模拟基带(abb)语音信号引脚和音频编解码器芯片进行通信，构成通话过程中的语音通道。基带处理器部分仅仅要再加一定的外围电路。如音频芯片、lcd、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是一个完整的普通手机(传统手机)的硬件电路。

AP、BP通过AMI( Advanced Messaging Interface)进行交互，通信控制协议能够是AT命令、MBIM等。应用处理器和基带处理器分离的优点是：一旦基带处理器被设计和认证好，无论你採用的操作系统和应用软件怎么变化，它都能够正确的运行通讯功能。另外，操作系统和驱动的bug也不会导致设备发送灾难性的数据到移动网络中。

另外，BP具有其特殊性。

当智能手机处于睡眠模式时AP可直接关闭LCD、相机等外设的供电电源，但BP必须保持供电以继续继续等待来电、搜索网络等。所以BP独立控制内部的电源管理。

当无线modem处于空暇状态时。自己能完善地进入和退出待机模式。分离式架构中AP能够通过UART、GPIO和BP进行电源管理协商，集成SoC架构则有专用的电源管理。

（一）AP、BP分离式智能终端架构

市场上智能手机较多採用分离式双CPU方案：通讯基带处理器和多媒体功能应用处理器作为两个独立的部件通过核间通信方式进行信息的交互。假设类比PC，这样的分离式架构相当于主CPU AP的一个外设--外接无线MODEM（BP）。

採用分离式双CPU方案。两个处理器平台须要各自独立的完整的电源管理系统和各自的外接MEMORY、须要各自的软件升级接口（AP须要支持bypass、基带启动引导功能）。以下是UART接口的AP、BP分离式智能手机的硬件框图。

採用分离式双CPU方案设计的智能手机基本存在元器件多。面积大，成本高，响应速度慢，软件升级麻烦等问题。

AP、CP之间一般须要多路模拟开关来切换音频通路、AP端一般须要外加音频CODEC。

AP、CP间的通信方案须要利用IC集成的通用的嵌入式接口GPIO、UART、USB、SPI、多port存储器等。

早期。AP与BP的物理交互通过串口（UART）来实现。并通过通用输入输出控制线（General Purpose Input/Outpu, GPIO）来协调两者之间的电源管理等等。

在手机闲置时。AP和BP部分都处于睡眠状态以便省电。

比如拨打电话时AP通过GPIO唤醒BP，然后通过串口给发送AT命令；来电时BP也通过GPIO唤醒AP，然后也通过串口发送AT命令。通知AP启动振铃、接换手机界面等等。

非常显然，UART、GPIO和AT命令的方式协调AP与BP的交互。效率不太高。

另外。UART一般传输速率为115k~230kbps，仅适合低速2G。

尽管如今手机用USB、SPI代替了UART，效率有所提高，但AP与BP的协调仍然手机工作效率的瓶颈。

比如，USB1.1可满足EDGE的速率要求、2.0以后可满足3G、HSPA的速率要求。但USB方案要求基带处理器必须具有USB接口，而应用处理器可以支持USB HOST或者USB OTG设备。软件处理相对照较复杂且USB功耗相对较大（USB-ULPI/HSIC i接口减少了功耗）。详细的核间通信方式參见"核间通信手段"

（二）集成SoC模式的智能终端架构

採用基带和应用处理器分别独立的两套系统组合起来的方法，其基本的缺点是元器件多、面积大、数据交换速率不高、购置芯片成本高、耗电较大等缺点。为了克服这些缺点，SoC二合一芯片是大势所趋，在SoC内部AP和BP分工依旧明白。困难在于SoC芯片的设计和制造难度较大。

两者之间的通信通常依靠内存共享（Shared Memory）。AP与BP信息的交互可高速、有效的进行，的通讯效率非常高。非常好得攻克了处理器之间通信(数据交换)的问题。对大传输数据有非常大的优势。但其技术难度较为复杂。

SoC二合一芯片的特点是：

1，将全部芯核集成在一个单芯片中，AP、BP的分工依旧明白。

2，具有先进时钟管理和电源管理系统，可独立控制各处理器核心的时钟频率和供电。有效地控制系统功耗。

3。系统通过总线将各处理器核心连接起来，共享内部和外部的MEMORY。

外接的MEMORY划分为基带和应用及共享三个分区。MEMROY分区大小可依据应用须要灵活进行。

4。可集成丰富的外围接口，如：专用的液晶控制器和摄像机接口、集成USB2.0 OTG控制器、MMC/SD卡控制器、DIGRF等接口。从而可简易接入蓝牙、WIFI、GPS等外设。

以一个拥有三个微处理器内核（AP ARM内核、BP ARM内核以及用于物理层与音频信号处理的DSP内核）的SoC芯片为例，说明SoC的基本架构。三部分的电源管理由统一的时钟电源控制单元控制,并可独立进行时钟和电源管理。

两个ARM核具有各自独立的16K字节的快速指令缓冲存储器、16K字节的数据快速缓冲存储。核内包括有存储器管理单元。SoC芯片具有两个共享RAM可用于数据与信息交换—当中16K字节快速SRAM由3个处理器共享、另外的16K字节快速SRAM仅由两个ARM核共享，通过SoC的PCU(处理器控制单元)和总线裁决器能够对于内部共享RAM进行读写权分配和数据保护。

通过多口裁决器外接的MEMORY相同可被由几个处理器共享，并在AHB上添加16K字节快速SRAM作为数据BUFFER，以提高MEMORY訪问速度和系统性能。

DSP作为L1处理器和音频处理固件(firmware)，运行协议物理层处理和音频处理等功能。

SoC模式整个方案採用高度模块化的系统架构。非常简洁。设计出产品的尺寸小、系统成本低，也非常easy进行系统升级。

升级时能够保持整个架构不变，简单地更换处理器(从ARM9换成ARM11。主频从200MHZ提升到450MHZ或者更高)来增强处理运算能力，对于移动通讯设备市场发展的新趋势和新应用具备良好的适应性。

对于手机制造商进行新产品设计时，则能够利用最小的设计资源，最大程度反复利用基本设计，针对不同细分市场高速将产品市场化。产品系统稳定性良好。

眼下高端手机正集成越来越多的功能(蓝牙。手持式GPS功能，WLAN，手机电视等)。

新功能的需求对于成本。功耗和产品体积提出了更大挑战。超薄、轻巧、功能加强、低成本是手机未来发展的趋势。

双核架构方案从根本上解决非常好满足高端手机发展的须要，表现出良好的发展前景和巨大的潜力。