2024年10月6日发(作者：纪弘)
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一种智能手机的低功率损耗设计
引言
随着通信产业的不断发展，移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数
据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。而对于移动终端，基本上可以分成两
种：一种是传统手机(featurephone)；另一种是智能手机(smartphone)。智
能手机具有传统手机的基本功能，并有以下特点：开放的操作系统、硬件和软
件的可扩充性和支持第三方的二次开发。相对于传统手机，智能手机以其强大
的功能和便捷的操作等特点，越来越得到人们的青睐，将逐渐成为市场的一种
潮流。
然而，作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，随着智能手机
的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。因此，必须提高智能手机的使用
时间和待机时间。对于这个问题，有两种解决方案：一种是配备更大容量的手
机电池；另一种是改进系统设计，采用先进技术，降低手机的功率损耗。
现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主，虽然锂离子电池的能量密度比以
往提升了近30％，但是仍不能满足智能手机发展需求。就目前使用的锂离子电
池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空间。而另一种被业界普遍看做是
未来手机电池发展趋势的燃料电池，能使智能手机的通话时间超过13h，待机
时间长达1个月，但是这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时间[1]。增大
手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。
因此，从智能手机的总体设计入手，应用先进的技术和器件，进行降低功率损
耗的方案设计，从而尽可能延长智能手机的使用时间和待机时间。事实上，低
功耗设计已经成为智能手机设计中一个越来越迫切的问题。
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1智能手机的硬件系统架构
本文讨论的智能手机的硬件体系结构是使用双CPU架构，如图1所示。
主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。从处理器为无线
Modem部分的DBB(数字基带芯片)，主要完成语音信号的A／D转换、D／A
转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和无线Modem部分的时序控制。
主从处理器之间通过串口进行通信。主处理器采用GGG公司的CPU芯片，它
采用CMOS工艺，拥有ARM926EJ-S内核，采用ARM公司的AMBA(先进的
微控制器总线体系结构)，内部含有16kB的指令Cache、16kB的数据Cache
和MMU(存储器管理单元)。为了实现实时的视频会议功能，携带了一个优化
的MPEG4硬件编解码器。能对大运算量的MPEG4编解码和语音压缩解压缩
进行硬件处理，从而能缓解ARM内核的运算压力。主处理器上含有LCD(液晶
显示器)控制器、摄像机控制器、SDRAM和SROM控制器、很多通用的GPIO
口、SD卡接口等。这些使它能很出色地应用于智能手机的设计中。
在智能手机的硬件架构中，无线Modem部分只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。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。
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从这个硬件电路的系统架构可以看出，功耗最大的部分包括主处理器、无线
Modem、LCD和键盘的背光灯、音频编解码器和功率放大器。因此，在设计
中，如何降低它们的功耗，是一个很重要的问题。
2低功耗设计
2.1降低CPU部分的供电电压和频率
在数字集成电路设计中，CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本
可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：
Pd=CTV2f (1)
式中：Pd为CMOS芯片的动态功耗；CT为CMOS芯片的负载电容；V为
CMOS芯片的工作电压；f为CMOS芯片的工作频率。
由式(1)可知，CMOS电路中的功率消耗与电路的开关频率呈线性关系，与供电
电压呈二次平方关系。对于CPU来说，Vcore电压越高，时钟频率越快，则功
率消耗越大，所以，在能够正常满足系统性能的前提下，尽可能选择低电压工
作的CPU。对于已经选定的CPU来说，降低供电电压和工作频率，能够在总
体功耗上取得较好的效果。
对于主CPU来说，内核供电电压为1.3V，已经很小，而且其全速运行时的主
频可以完全根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频
产生。主CPU主频fCPU计算公式如下：
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式中：m=MDIV+8；p=PDIV+2，s=SDIV；MDIV、PDIV和SDIV可以通过
寄存器进行设置。
因此，设计中确定主CPU主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在
综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主CPU主频为204MHz。
2.2DPM
DPM(动态电源管理)是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来
达到节省功率的目的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关，该工作往往
通过软件来实现[3,4]。
2.2.1定义不同的工作模式
在硬件架构中智能手机的工作模式与主CPU的工作模式密切相关。为了降低功
耗，主CPU定义了4种工作模式：GeneralClockGatingmode；
IDLEmode：SLEEPmode；Stopmode。在主CPU主频确定的情况下，智能
手机中定义了对应的4种工作模式：正常工作模式(Normal)；空闲模式
(Idle)；睡眠模式(Sleep)；关机模式(OFF)。各种模式说明如下：
a)正常工作模式：主CPU工作模式为GeneralClockGatingmode；主CPU全
速运行；时钟频率为204MHz。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的
运行状态，如播放MP3、打电话、实际测量，这种模式下智能手机工作电流为
200mA左右。
b)空闲模式：主CPU工作模式为Idlemode，主CPU主时钟停止；时钟频率
为204MHz。在空闲状态下，键盘背关灯和LCD背光灯关闭，LCD上有待机
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画面，特定的事件可以使智能手机空闲模式进入正常工作模式，如点击触摸
屏、定时唤醒、按键、来电等。
c)睡眼模式：主CPU工作模式为SLEEPmode，除了主CPU内部的唤醒逻辑
打开外，其余全关闭；主CPU时钟为使用36.768kHz的慢时钟。除了
Modem以外，外设全部关闭，定义短时按开机键，使智能手机从睡眠模式下
唤醒进入正常工作状态。
d)关机模式：主CPU工作模式为stopmode，除了主CPU泄漏电流外，不消
耗功率；主CPU关闭。智能手机必须重新开机之后，才能进正常工作模式，实
际测量，手机在这种模式下电流为100μA。
从以上看出，智能手机在正常工作模式下的功率比空闲模式、睡眠模式下大得
多。因此，当用户没有对手机进行操作时，通过软件设置，使手机尽快进入空
闲模式或睡眠模式；当用户对手机进行操作时，通过相应的中断唤醒主CPU，
使手机恢复正常工作模式，处理完响应的事件后迅速进入空闲模式或睡眠模
式。
2.2.2关闭空闲的外设控制器和外设
在硬件系统的架构中，可以看到，主CPU通过相应的接口，外接了很多外部设
备，例如LCD、摄像机、IrDA(红外适配器)、蓝牙、音频编解码器、功率放大
器等设备。当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态的外设，可以通
过主CPU的GPIO口，控制给外设供电的LDO或者DC／DC电源芯片，通过
关闭外设的供电电源芯片，以达到关闭外设的目的。特别是对于大功耗的外
设，必须对其进行可靠的关闭。对于一些正在工作的外设，如音频编解码器，
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通过设置内部的寄存器，关闭芯片内部不使用的通道、功率放大器、D／A转
换器等，以降低这些器件工作时的功耗。
对于主CPU的各种接口控制器，一般不会全部用到，即使智能手机处于正常工
作模式下，在不同运行状态，各种接口控制器的使用状况也是不同的；接口控
制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流。对于主CPU来说，各
外设接口控制器的电流消耗[2]如下：NANDFlash为2.9mA；LCD为
5.8mA；USBHOST为0.4mA；USB驱动器为2.9mA；定时器为0.5mA；
SDI为1.9mA；UART为3.6mA；RTC为0.4mA；A／D转换器为0.4mA；
IIC为0.6mA；IIS为0.5mA；SPI为0.5mA。
在图1所示的智能手机硬件架构中，SPI接口、USBHOST接口没有使用，因
此可以通过设置SPCONO和HcControl寄存器永远地关闭SPI和USBHOST
接口，这样可以节省0.9(0.5+0.4)mA的电流。当智能手机处于正常工作状态
下，可以对空闲的接口控制器进行关闭，以进一步降低智能手机的功耗，还可
以防止总线上倒灌电流的影响。
2.3接口驱动电路的低功耗设计
当选择智能手机外围芯片如SDRAM、LCD、摄像机、音频编解码器等器件
时，除了要考虑其性能外，还必须考虑其正常工作时的功耗。在设计接口电路
时，必须考虑以下几个因素：
2.3.1上拉电阻／下拉电阻的选取
在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接下拉
电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提高输出电平，从而
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提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力。但是在选择上拉电阻时，必
须要考虑以下几点：
a)从节约功耗及芯片的倒灌电流能力上考虑，上拉电阻应足够大，以减小电
流；
b)从确保足够的驱动电流考虑，上拉电阻应足够小，以增大电流；
c)在高速电路中，过大的上拉电阻会使信号边沿变得平缓，信号完整性会变
差。
因此，在考虑能够正常驱动后级的情况下(即考虑芯片的VIH或VIL)，尽可能
选取更大的阻值，以节省系统的功耗。对于下拉电阻，情况类似。
.3.2对悬空引脚的处理
对于系统中CMOS器件的悬空引脚，必须给予重视。因为CMOS悬空的输入
端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致
输入端信号电平随机变化，导致CPU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入睡
眠状态或其他莫名其妙的故障。所以正确的方法是，根据引脚的初始状态，将
未使用的输入端接到相应的供电电压来保持高电平，或通过接地来保持低电
平。
2.3.3缓冲器的选择
缓冲器有很多功能，如电平转换、增加驱动能力、数据传输的方向控制等，当
仅仅基于驱动能力的考虑增加缓冲器时，必须慎重考虑，因驱动电流过大会导
致更多的能量被浪费掉。所以应仔细检查芯片的最大输出电流IOH和IOL是否
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足够驱动下级芯片，当可以通过选取合适的前后级芯片时应尽量避免使用缓冲
器。
2.4电源供给电路
由于使用双CPU架构，外设很多，需要很多种电源。仅以主CPU来说，就需
要1.3V、2.4V和2.8V电压，因此需要很多电压变化单元。通常，有以下几种
电压变换方式：线性调节器；DC／DC；LDO(低漏失调节器)。其中LDO本质
上是一种线性稳压器，主要用于压差较小的场合，所以将其合并为线性稳压
器。
线性稳压器的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很
大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率η完全取决于输出电压大小。
DC／DC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹波噪声
干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压，只能使用DC
／DC。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，都是使用DC／
DC的电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。
2.5LED灯的控制
智能手机电路中，键盘和LCD背光灯工作时会消耗大量能量。例如本文架构中
使用的LCD，其背光灯电气要求如下：正向电流典型值为15mA，正向电压典
型值为14.4V，背光灯消耗功率典型值为216mW。
由此可以看出，在正常工作时，LCD背景LED灯功耗非常大。因此，在设计
中，必须降低LED灯的功耗。可以通过以下方法：
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a)在LED灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制LED灯工作时的电
流。
b)利用人眼的迟滞效应，使用PWM(脉宽调制)信号来控制LED灯的开关。
在主CPU中，通过配置寄存器GPCON_U、GPCON_L可以把GPIO20一
GPIO23和GPIO2-GPlO5配置成PWM信号输出，再配置内部相应的寄存
器，控制PWM输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制LED背光灯，
以此来降低LCD背光灯的功耗。
c)在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的
LED灯亮度基础上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵
活性，又进一步降低了手机的功耗。
2.6无线Modem部分的控制
如图1所示，智能手机的硬件体系结构采用双CPU架构，无线Modem作为
主CPU的一个外设，与主CPU芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当
智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭LCD、摄像机等外设的供电电源，而
无线Modem不行，必须要求无线Modem具有继续等待来电、搜索网络等功
能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线Modem方案，其中
也拥有一个系统，内部运行完整的GSM(全球移动通信系统)协议和独立的电源
管理模块，主CPU可以通过UART口和无线Modem进行电源管理协商。无
线Modem内部的电源管理由自己来控制，当无线Modem处于空闲状态时，
自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智
能手机开机时，给无线Modem加电、关机时，对Modem进行断电。
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2.7软件优化
软件优化是一个很重要的工作，可以大大提高软件运行时的效率和降低软件运
行时的功耗。例如指令的重排，在不影响指令执行结果的情况下，可以消除由
于装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引起的指令流水线的失效[5]。如表1所示
的ARM汇编，把指令转变成二进制编码后，不同之处就是各个寄存器操作数
的二进制编码不同。
根据表1，从电气性能上来看，通过减小连续指令之间的汉明(Hamming)距
离，原代码比优化后代码的比特位变化多6次，而两组代码实现同样的功能，
因此，优化后的指令执行时的功耗小于原先指令。因此，系统软件完成后，在
保证软件功能一致的情况下，通过对代码进行优化，可以减小软件在执行时的
功耗。
3试验结果和讨论
在智能手机的设计中，通过不断进行硬件优化和在软件上实现电源的动态管
理，测量智能手机在空闲模式和睡眠模式下的功率损耗，结果如表2所示。
从表2可以看出，经过优化设计，智能手机在空闲模式下，电流值减小了
10.2mA，在睡眠模式下，电流值减少了1.5mA。对于无线Modem，由于自
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身含有独立的电源管理模块，基本上在3mA左右，变化不大。相比未经优化
设计，智能手机经过优化设计后，在睡眠模式下和空闲模式下，功率损耗有了
显著的降低，在相同的电池容量下，大大提高了智能手机的待机时间和使用时
间。因此，通过上述方法，可以有效地降低智能手机的功耗。
随着手机技术的发展，特别在智能手机设计中，低功耗设计会成为一个越来越
迫切的问题。随着一些新技术的出现并应用于智能手机的设计中，例如先进的
电源管理芯片、先进的处理器，给设计者提供了更大的灵活性，可以大大降低
智能手机功耗。但是，作为设计者，在进行系统设计和软件编程时，必须时时
考虑如何降低系统的功耗，只有这样，设计出的系统才能拥有一个良好的性
能，得到用户的青睐。
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一种智能手机的低功率损耗设计
引言
随着通信产业的不断发展，移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数
据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。而对于移动终端，基本上可以分成两
种：一种是传统手机(featurephone)；另一种是智能手机(smartphone)。智
能手机具有传统手机的基本功能，并有以下特点：开放的操作系统、硬件和软
件的可扩充性和支持第三方的二次开发。相对于传统手机，智能手机以其强大
的功能和便捷的操作等特点，越来越得到人们的青睐，将逐渐成为市场的一种
潮流。
然而，作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，随着智能手机
的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。因此，必须提高智能手机的使用
时间和待机时间。对于这个问题，有两种解决方案：一种是配备更大容量的手
机电池；另一种是改进系统设计，采用先进技术，降低手机的功率损耗。
现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主，虽然锂离子电池的能量密度比以
往提升了近30％，但是仍不能满足智能手机发展需求。就目前使用的锂离子电
池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空间。而另一种被业界普遍看做是
未来手机电池发展趋势的燃料电池，能使智能手机的通话时间超过13h，待机
时间长达1个月，但是这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时间[1]。增大
手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。
因此，从智能手机的总体设计入手，应用先进的技术和器件，进行降低功率损
耗的方案设计，从而尽可能延长智能手机的使用时间和待机时间。事实上，低
功耗设计已经成为智能手机设计中一个越来越迫切的问题。
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1智能手机的硬件系统架构
本文讨论的智能手机的硬件体系结构是使用双CPU架构，如图1所示。
主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。从处理器为无线
Modem部分的DBB(数字基带芯片)，主要完成语音信号的A／D转换、D／A
转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和无线Modem部分的时序控制。
主从处理器之间通过串口进行通信。主处理器采用GGG公司的CPU芯片，它
采用CMOS工艺，拥有ARM926EJ-S内核，采用ARM公司的AMBA(先进的
微控制器总线体系结构)，内部含有16kB的指令Cache、16kB的数据Cache
和MMU(存储器管理单元)。为了实现实时的视频会议功能，携带了一个优化
的MPEG4硬件编解码器。能对大运算量的MPEG4编解码和语音压缩解压缩
进行硬件处理，从而能缓解ARM内核的运算压力。主处理器上含有LCD(液晶
显示器)控制器、摄像机控制器、SDRAM和SROM控制器、很多通用的GPIO
口、SD卡接口等。这些使它能很出色地应用于智能手机的设计中。
在智能手机的硬件架构中，无线Modem部分只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。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。
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从这个硬件电路的系统架构可以看出，功耗最大的部分包括主处理器、无线
Modem、LCD和键盘的背光灯、音频编解码器和功率放大器。因此，在设计
中，如何降低它们的功耗，是一个很重要的问题。
2低功耗设计
2.1降低CPU部分的供电电压和频率
在数字集成电路设计中，CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本
可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：
Pd=CTV2f (1)
式中：Pd为CMOS芯片的动态功耗；CT为CMOS芯片的负载电容；V为
CMOS芯片的工作电压；f为CMOS芯片的工作频率。
由式(1)可知，CMOS电路中的功率消耗与电路的开关频率呈线性关系，与供电
电压呈二次平方关系。对于CPU来说，Vcore电压越高，时钟频率越快，则功
率消耗越大，所以，在能够正常满足系统性能的前提下，尽可能选择低电压工
作的CPU。对于已经选定的CPU来说，降低供电电压和工作频率，能够在总
体功耗上取得较好的效果。
对于主CPU来说，内核供电电压为1.3V，已经很小，而且其全速运行时的主
频可以完全根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频
产生。主CPU主频fCPU计算公式如下：
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式中：m=MDIV+8；p=PDIV+2，s=SDIV；MDIV、PDIV和SDIV可以通过
寄存器进行设置。
因此，设计中确定主CPU主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在
综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主CPU主频为204MHz。
2.2DPM
DPM(动态电源管理)是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来
达到节省功率的目的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关，该工作往往
通过软件来实现[3,4]。
2.2.1定义不同的工作模式
在硬件架构中智能手机的工作模式与主CPU的工作模式密切相关。为了降低功
耗，主CPU定义了4种工作模式：GeneralClockGatingmode；
IDLEmode：SLEEPmode；Stopmode。在主CPU主频确定的情况下，智能
手机中定义了对应的4种工作模式：正常工作模式(Normal)；空闲模式
(Idle)；睡眠模式(Sleep)；关机模式(OFF)。各种模式说明如下：
a)正常工作模式：主CPU工作模式为GeneralClockGatingmode；主CPU全
速运行；时钟频率为204MHz。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的
运行状态，如播放MP3、打电话、实际测量，这种模式下智能手机工作电流为
200mA左右。
b)空闲模式：主CPU工作模式为Idlemode，主CPU主时钟停止；时钟频率
为204MHz。在空闲状态下，键盘背关灯和LCD背光灯关闭，LCD上有待机
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画面，特定的事件可以使智能手机空闲模式进入正常工作模式，如点击触摸
屏、定时唤醒、按键、来电等。
c)睡眼模式：主CPU工作模式为SLEEPmode，除了主CPU内部的唤醒逻辑
打开外，其余全关闭；主CPU时钟为使用36.768kHz的慢时钟。除了
Modem以外，外设全部关闭，定义短时按开机键，使智能手机从睡眠模式下
唤醒进入正常工作状态。
d)关机模式：主CPU工作模式为stopmode，除了主CPU泄漏电流外，不消
耗功率；主CPU关闭。智能手机必须重新开机之后，才能进正常工作模式，实
际测量，手机在这种模式下电流为100μA。
从以上看出，智能手机在正常工作模式下的功率比空闲模式、睡眠模式下大得
多。因此，当用户没有对手机进行操作时，通过软件设置，使手机尽快进入空
闲模式或睡眠模式；当用户对手机进行操作时，通过相应的中断唤醒主CPU，
使手机恢复正常工作模式，处理完响应的事件后迅速进入空闲模式或睡眠模
式。
2.2.2关闭空闲的外设控制器和外设
在硬件系统的架构中，可以看到，主CPU通过相应的接口，外接了很多外部设
备，例如LCD、摄像机、IrDA(红外适配器)、蓝牙、音频编解码器、功率放大
器等设备。当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态的外设，可以通
过主CPU的GPIO口，控制给外设供电的LDO或者DC／DC电源芯片，通过
关闭外设的供电电源芯片，以达到关闭外设的目的。特别是对于大功耗的外
设，必须对其进行可靠的关闭。对于一些正在工作的外设，如音频编解码器，
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通过设置内部的寄存器，关闭芯片内部不使用的通道、功率放大器、D／A转
换器等，以降低这些器件工作时的功耗。
对于主CPU的各种接口控制器，一般不会全部用到，即使智能手机处于正常工
作模式下，在不同运行状态，各种接口控制器的使用状况也是不同的；接口控
制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流。对于主CPU来说，各
外设接口控制器的电流消耗[2]如下：NANDFlash为2.9mA；LCD为
5.8mA；USBHOST为0.4mA；USB驱动器为2.9mA；定时器为0.5mA；
SDI为1.9mA；UART为3.6mA；RTC为0.4mA；A／D转换器为0.4mA；
IIC为0.6mA；IIS为0.5mA；SPI为0.5mA。
在图1所示的智能手机硬件架构中，SPI接口、USBHOST接口没有使用，因
此可以通过设置SPCONO和HcControl寄存器永远地关闭SPI和USBHOST
接口，这样可以节省0.9(0.5+0.4)mA的电流。当智能手机处于正常工作状态
下，可以对空闲的接口控制器进行关闭，以进一步降低智能手机的功耗，还可
以防止总线上倒灌电流的影响。
2.3接口驱动电路的低功耗设计
当选择智能手机外围芯片如SDRAM、LCD、摄像机、音频编解码器等器件
时，除了要考虑其性能外，还必须考虑其正常工作时的功耗。在设计接口电路
时，必须考虑以下几个因素：
2.3.1上拉电阻／下拉电阻的选取
在COMS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接下拉
电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提高输出电平，从而
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提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力。但是在选择上拉电阻时，必
须要考虑以下几点：
a)从节约功耗及芯片的倒灌电流能力上考虑，上拉电阻应足够大，以减小电
流；
b)从确保足够的驱动电流考虑，上拉电阻应足够小，以增大电流；
c)在高速电路中，过大的上拉电阻会使信号边沿变得平缓，信号完整性会变
差。
因此，在考虑能够正常驱动后级的情况下(即考虑芯片的VIH或VIL)，尽可能
选取更大的阻值，以节省系统的功耗。对于下拉电阻，情况类似。
.3.2对悬空引脚的处理
对于系统中CMOS器件的悬空引脚，必须给予重视。因为CMOS悬空的输入
端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致
输入端信号电平随机变化，导致CPU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入睡
眠状态或其他莫名其妙的故障。所以正确的方法是，根据引脚的初始状态，将
未使用的输入端接到相应的供电电压来保持高电平，或通过接地来保持低电
平。
2.3.3缓冲器的选择
缓冲器有很多功能，如电平转换、增加驱动能力、数据传输的方向控制等，当
仅仅基于驱动能力的考虑增加缓冲器时，必须慎重考虑，因驱动电流过大会导
致更多的能量被浪费掉。所以应仔细检查芯片的最大输出电流IOH和IOL是否
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足够驱动下级芯片，当可以通过选取合适的前后级芯片时应尽量避免使用缓冲
器。
2.4电源供给电路
由于使用双CPU架构，外设很多，需要很多种电源。仅以主CPU来说，就需
要1.3V、2.4V和2.8V电压，因此需要很多电压变化单元。通常，有以下几种
电压变换方式：线性调节器；DC／DC；LDO(低漏失调节器)。其中LDO本质
上是一种线性稳压器，主要用于压差较小的场合，所以将其合并为线性稳压
器。
线性稳压器的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很
大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率η完全取决于输出电压大小。
DC／DC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹波噪声
干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压，只能使用DC
／DC。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，都是使用DC／
DC的电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。
2.5LED灯的控制
智能手机电路中，键盘和LCD背光灯工作时会消耗大量能量。例如本文架构中
使用的LCD，其背光灯电气要求如下：正向电流典型值为15mA，正向电压典
型值为14.4V，背光灯消耗功率典型值为216mW。
由此可以看出，在正常工作时，LCD背景LED灯功耗非常大。因此，在设计
中，必须降低LED灯的功耗。可以通过以下方法：
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a)在LED灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制LED灯工作时的电
流。
b)利用人眼的迟滞效应，使用PWM(脉宽调制)信号来控制LED灯的开关。
在主CPU中，通过配置寄存器GPCON_U、GPCON_L可以把GPIO20一
GPIO23和GPIO2-GPlO5配置成PWM信号输出，再配置内部相应的寄存
器，控制PWM输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制LED背光灯，
以此来降低LCD背光灯的功耗。
c)在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的
LED灯亮度基础上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵
活性，又进一步降低了手机的功耗。
2.6无线Modem部分的控制
如图1所示，智能手机的硬件体系结构采用双CPU架构，无线Modem作为
主CPU的一个外设，与主CPU芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当
智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭LCD、摄像机等外设的供电电源，而
无线Modem不行，必须要求无线Modem具有继续等待来电、搜索网络等功
能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线Modem方案，其中
也拥有一个系统，内部运行完整的GSM(全球移动通信系统)协议和独立的电源
管理模块，主CPU可以通过UART口和无线Modem进行电源管理协商。无
线Modem内部的电源管理由自己来控制，当无线Modem处于空闲状态时，
自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智
能手机开机时，给无线Modem加电、关机时，对Modem进行断电。
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2.7软件优化
软件优化是一个很重要的工作，可以大大提高软件运行时的效率和降低软件运
行时的功耗。例如指令的重排，在不影响指令执行结果的情况下，可以消除由
于装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引起的指令流水线的失效[5]。如表1所示
的ARM汇编，把指令转变成二进制编码后，不同之处就是各个寄存器操作数
的二进制编码不同。
根据表1，从电气性能上来看，通过减小连续指令之间的汉明(Hamming)距
离，原代码比优化后代码的比特位变化多6次，而两组代码实现同样的功能，
因此，优化后的指令执行时的功耗小于原先指令。因此，系统软件完成后，在
保证软件功能一致的情况下，通过对代码进行优化，可以减小软件在执行时的
功耗。
3试验结果和讨论
在智能手机的设计中，通过不断进行硬件优化和在软件上实现电源的动态管
理，测量智能手机在空闲模式和睡眠模式下的功率损耗，结果如表2所示。
从表2可以看出，经过优化设计，智能手机在空闲模式下，电流值减小了
10.2mA，在睡眠模式下，电流值减少了1.5mA。对于无线Modem，由于自
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身含有独立的电源管理模块，基本上在3mA左右，变化不大。相比未经优化
设计，智能手机经过优化设计后，在睡眠模式下和空闲模式下，功率损耗有了
显著的降低，在相同的电池容量下，大大提高了智能手机的待机时间和使用时
间。因此，通过上述方法，可以有效地降低智能手机的功耗。
随着手机技术的发展，特别在智能手机设计中，低功耗设计会成为一个越来越
迫切的问题。随着一些新技术的出现并应用于智能手机的设计中，例如先进的
电源管理芯片、先进的处理器，给设计者提供了更大的灵活性，可以大大降低
智能手机功耗。但是，作为设计者，在进行系统设计和软件编程时，必须时时
考虑如何降低系统的功耗，只有这样，设计出的系统才能拥有一个良好的性
能，得到用户的青睐。
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