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山东大学 硕士学位
论文基于NVIDIA双核处理器的TD--SCDMA智能手机电路设计 别:硕士 专业:电子与通信工程 指导教师:马丕明王克强 2012-10-25 山东大学硕士学位
论文 摘要 基于Linu)【内核的Android
开源手机操作系统的普及和应用处理器的发展使得智能手机的研发和应用得以快速发展。
NIvIDAAP20H处理器采用双核Conex A9架构,通过SoC技术集成GPU、音视频处理器等多项功能模块,是一种用于智能手机设计的功能强大的应用处理器。
TD.SCDMA作为第三代移动通信标准,是我国首次自主提出并以我国知识产权为主的第三代移动通信标准,在我国电信发展历史上具有重要战略意义。
本
论文结合中国移动定制手机设计案例,对基于NIVIDA双核应用处理器的TD.SCDMA智能手机关键电路的设计进行了深入的研究,主要内容包括: l、介绍AI洲双核应用处理器,及基于双核处理器智能手机设计中采用的电路设计关键技术。
2、对基于AP20H双核应用处理器的TD.SCDMA智能手机硬件设计中关键模块的硬件设计进行了重点阐述。
详细分析了整机系统的电源设计,优化系统功耗设计;对应用处理器和基带处理器的互连接口设计流程、关键措施和优化要点等内容进行了系统的研究和论述,提升系统稳定性;运用音频设计技术完成各种音频通路的设计,确保可以满足各种功能需求,并充分考虑节电性能。
3、针对电路设计中遇到的问题进行了详细的技术分析,并提出了完整的处理方案和解决措施,给出了典型的案例分析。
通过本
论文,可以使手机电路设计工程师能够快速的掌握双核应用处理器加基带处理器的智能手机的硬件设计、重点设计注意事项等内容。
为快速
设计出满足运营商定制需求的高端TD.SCDMA手机打下坚实的基础。
关键词:双核应用处理器;NvIDIAAP20H;互连接口设计;电源设计;基带电路。
山东大学硕士学位
论文 ABSTRACT Witll tlle popul撕够of Linux-kemel-baSed Android open source mobile phone operating system aIld t11e deVelopment of印plication processors,sm甜phones deVelop r印idly in research aIld印plication.By adopting dual core A9缸chitecture and using SoC teclmology’NIVIDA AP20H inte伊ates multiple fhnctional modules,such as GPU aIld audio/video processors.These f-eatures make NIVIDA AP20H a power如l application processor(AP),wmch is suitable for designing sm积phones.As the 3G communication standard,TD·SCDMA is the 6rst standard independently brought forward by our country aIld its most intellectual property belongs to our coun奶L It is of 伊eat s仃ategic significance in the histor), of the deVelopment of China’s telecommuIlication. Combined witll the design cases of mobile phones customized by China Mobile,methesis studied the key circuits of TD-SCDMA smanphones based on NIVIDA dual coreAP.The main works are aus follows: 1)Introduced t11e ARM duaI core AP and key design techniques of smaJtphonesbased on dual core√6dj 2)Elaborated tIle hardware design of key modules of TD-SCDMA sm锄phonesbaSed On AP20H dual core AP.The power design of the entire system aJld optimizatiOnof power dissipation were c盯efully aulalyzed.In order to improVe the stability,methesis studied and discussed tlle design procedures of intercomlect interface be似een APand baseballd processor,key measures and optimization points.Under me condition oftaking如ll accou】呲of energy·saving perfb肌ance,audio design tecluliques were used toaccomplish the desi盟s of Various audio ch锄els a11d to satis匆aU the requirements. 3)Analyzed the problems enco眦ered in circuit design in detajl.The wholescheme and solution V,a峪presented.Typical case analyses were also giVen. In shon,this thesis call allow circuit desig芏l engineers quickly maSter the hardwareII 山东大学硕士学位
论文design of smartphones baSed on AP and baseband processor,focus on irnport枷designconsideration aIld 1ay a solid fouIldation for quickly designing lli曲-end TD-SCDMAmobile phone wllich satisfied the requirements customized by operators.Key words:Dual core印plication processor;NVIDIA AP20H;Interface cormection; Power circu“;Baseband circuit IIl山东大学硕士学位
论文 山东大学硕士学位
论文 CONTENTSChinese Abstract………………………………………………….…………………………………………….1English Abstract……………………………………………………………………………………………….IIl Overview……………………………………………………………………………………………………。
l 1.1 Backgroulld…………………………………………………………………………………………….1 1.2 Td.Scdma Standard………………………………………………………………………………….2 13 Project Histo巧And Significanc………………………………………………………………..3 l。
4 Main W6rks…………………………………………………………………………………………….52 Dual Core Processor And Technolo科Of Circuit Design……………………….6 2.1 Anl】Processor…………………………………………………………………………………………6 2.1.1 Am Processor Introduction…………………………………………………………………6 2.1.2 A肌Pmcessor Category………………………………………………………6 2.2 Dual Core Processor…………………………………………………………………………………7 2.2.1 Muiti-Core Processor HiStory………………………………………………7 2.2.2 Multi—Core Processor Design Solution……………………………………..8 2.2.3 Way To Choose Dual Core Processor...…………………………………….9 2.3 Key Teclulology Of Circuit Desigll……………………………………………一93 Smartphone Baseband Circuit Design…………………………………………………………13 3.1 Smanphone H莉ware Key FuIlction………………………………………….1 3 3.2 Execution Procedure…………………………………………………………一14 3.3 Smanphone H龇dware Circuit Design………………………………………………………14 3.3.1 Ap20hApplication Processor…………………………………………………………….17 3.3.2 Memory Interfke Design…………………………………………………21 3.3.3 PonⅣer Circuit DesigIl…………………………………………………….21 3.3.4 Display Circu“DesigIl……………………………………………………27 3.3.5 Td-Scdm“Gsm BaSeballd Processor Circuit Design………………………29 3.3.6 Application Processor And Modem Processor Interf-ace………………….32 3.3.7 Audio Circuit Design………………………………………………………38 3.3.8 Inte嘲ce Design Of Headset、Fm And Cn衄b……………………………47 3.3.9 Other Circuit Design………………………………………………………484 Design OptimizatiOn For〕resting PrOblem…………………………………………………。
52 山东大学硕士学位
论文 4.1 Baseballd Processor Power Down Abnormal Problem……………………………52 4.2 Abnoemal Situation Analvsis OfAudio Circuit………………………………………….555 Conclusion…………………………………………………………………………………………………59Refbrences……………………………………………………………………………………………………….60AcknowIedgement……………………………………………………………………………………………62 山东大学硕士学位
论文 第一章概述1.1
论文研究背景 智能手机像个人电脑一样,具有独立的操作
系统,可以由用户自行安装第三方软件来不断扩充手机的功能。
自2009年国内3G牌照的发放和三大移动运营商的重组以来,以及基于“nu)【的Android
开源手机操作系统的快速普及,并且伴随着移动互联网的快速发展,智能手机在终端厂商、运营商等多方推动下以极快的速度迅速普及。
国内手机品牌格局也在2011年发生了明显的改变,市场竞争日趋激烈。
中国本土智能手机企业的发展令各方瞩目。
在2011年,我国智能手机出货量超过1.1亿部,超过历年总和。
2011年第四季度智能手机出货量更是占到全部手机出货量的36.17%。
随着智能手机的价格逐渐降低,国内已经出现了多款性价比极高的智能手机,这直接刺激了大量用户抛弃传统手机,投向智能手机的怀抱。
未来三至五年,国内至少将有5亿以上的功能机用户要切换到智能手机。
印度、中东、南美地区等国外低端消费市场用户也将逐步更换智能手机,从而带动智能机市场需求大发展。
2012年第一季度,中国移动终端用户新增3900万,增量为全球第一。
我国移动终端用户的增长与国内智能手机市场的高速扩张是分不开的。
中国智能手机行业潜力巨大,发展前景乐观【1】【21。
现代移动电话经过了近三十年的发展,其主要的功能是为用户提供语音、短信等方面的服务。
随着3G网络的发展,逐步满足了用户对高速数据业务的需求。
随着智能手机产业的快速发展,人们已不再满足于原有手机的功能需求。
对智能手机的应用以及各项性能要求越来越高。
同时为了说服消费者选择新款智能手机,供应商也在不断做出改进,提升软硬件性能。
从而使智能手机的硬件技术和软件技术都有了质的飞跃。
目前的智能手机除了基本的通讯功能外,还同时兼具数码相机、摄像机、音视频多媒体播放器、移动储存、个人信息管理、游戏等多项功能。
使得智能手机逐步成为用户的信息中心、娱乐中心和影音中心,极大的方便了用户。
同时由于3G网络的开通,移动无线带宽得以显著增加。
手机产品的配置更加复杂、多用、时尚,呈现出智能化、多媒体化的发展趋势,逐步演变成为一个移动的智能多媒 山东大学硕士学位
论文体综合平台。
从而使3G智能手机真正的满足了客户的需求。
受益于微电子技术的发展,芯片工艺制程正快速的从9011111、65姗过度到40I蛐,目前正逐步向28m、23姗甚至更高的工艺制程发展。
高速集成电路工作电压的范围也越来越低,从而使芯片内核越来越小型化成为可能,芯片的体积和功耗也都得到了改善。
嵌入式应用处理器处于领先地位的ARM公司也不断推出高性能、低功耗的内核。
从而使高速的应用处理器芯片得以迅速发展,芯片的集成度大大加强,在同等面积下芯片可以集成更多的功能模块,这必然带来应用处理器性能的快速提升。
主频从208MHz逐步过度到312MHz、416MHz,并且在一年左右的时间内快速的从624MHz向800MHz、1GHz、1.2GHz,甚至1.5GHz主频演进。
应用处理器的内核也正在从单核处理器向双核、四核处理器演进。
这些功能强大的芯片的产生,完全可以处理实时高速的图像和音频数据。
使得应用处理器芯片不仅仅能够满足用户基本的通话、短信、高度数据业务需求,而且可以满足用户休闲娱乐、多媒体功能、移动办公等方面的需求。
逐步向个人终端发展。
随着智能手机操作系统的发展,以及应用
软件的丰富,用户对存储器空问要求越来越大、对显示屏的尺寸要求越来越大,对电池续航能力要求越来越高。
在显示器方面,随着高分辨率液晶显示器的成本不断下降,以及智能手机的快速发展,已经从最初的2.4寸屏幕快速过渡到2.8寸、3.2寸、3.5寸、4.0寸,甚至4.3寸、4.5寸、5.0寸、5.3寸和5.5寸规格。
手机内置存储容量也从最初的256M、512MByte向2GB”e、4GByte,甚至16GByte发展,并配合大容量电池的发展延长待机时间和操作时间,从而满足用户日益增长的各种需求。
1.2 TD.SCDMA第三代移动通信标准 TD.SCDMA是英文Time Division.Synchronous Code Division Multiple Access (时分同步码分多址)的缩写,简称TD,是中国提出的ITU批准的三个第三代移动通信标准(简称3G)标准之一。
TD标准以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准【3J,是我国电信史上重要的里程碑。
相对于另两个3G标准CDMA2000和WCDMA,它的起步较晚,技术成熟度偏弱。
TD.SCDMA采用时分双工方式,上、下行信道特性基本一致。
基站比较容易 山东大学硕士学位
论文根据接收到的信号估计上、下行信道特性。
TD.SCDMA技术在频谱利用率、频率灵活性、对业务支持以及成本等方面具有独特优势。
此技术还具有TDMA技术的优点:可灵活配置上、下行时隙比例,进而调整上、下行的数据速率,特别适合互联网业务中上行数据少而下行数据多的情况。
但上、下行转换点的可变性给同频组网增加了复杂度。
TD.SCDMA不需要成对的频带,因此和CDMA2000和WCDMA标准相比,在频率资源的划分上更加灵活。
1.3课题来源和开发意义 随着国内3G牌照的发放和三大移动运营商的重组,以及国内新增移动用户数量的下降,各大移动运营商之间的竞争日益激烈。
由于另外两种制式WCDMA和CDMA2000已经成熟多年且在国外已经运营了较长时间,所以获得了很多大的芯片平台厂商的支持。
例如,在WCDMA芯片平台解决方案中就有Q砌comm、STE、MTK、ADI、飞思卡尔、英飞凌、英特尔、TI、博通等众多国际知名平台厂商;CDMA2000芯片平台主要由Qualcomm提供,Qualcomm作为业界第一流的芯片平台开发商,始终保持平台的竞争力,基本上可以达到和wCDMA同等的性能。
TD.SCDMA制式,由于目前主要在中国国内运营,国际主流的平台开发商支持不足,导致芯片平台性能相对落后,成本较高,成熟度不足,和另外两种制式相比处于劣势地位。
2011年智能手机销量持续上升,为吸引消费者选择新款智能手机加入到自己的运营
网络,移动运营商对芯片平台厂商和品牌终端厂商不断提出更高的要求。
芯片平台厂商根据运营商和消费者的需求,不断做出改进,包括采用更高性能的应用处理器,提供更优质的音视频性能和图像处理能力。
例如视频技术支持720p,甚至1080p视频格式。
720p技术曾经是高端智能手机如iPhone 4和三星GaJa)(y S的特性。
此项技术将提升,视频格式从720p提高到1080p。
LG Optimus 2X将采用1080p的高清影音技术。
随着技术的发展,终端厂商将持续引进更高性能的芯片平台,继续致力于推进应用处理器的发展,并且是双核处理器的发展。
另外,从芯片平台的发展来看,目前的芯片设计技术已经非常成熟、支持多核的Cortex内核陆续发布,应用处理器可以快速发展,包括主频的提升和支持双核、 山东大学硕士学位
论文多核技术,图形处理内核和音视频处理内核。
而作为与无线网络互连的基带处理器(调制解调器)技术相对稳定。
从芯片平台厂商在芯片的推出速度来看,单独的应用处理器具有更快的升级速度和更优异的性能,而应用处理器和基带处理器二合一的芯片平台
方案则在升级速度上要慢一些。
目前,在TD.SCDMA制式内支持双核应用处理器和基带处理器二合一的芯片平台方案还很少,但单独的双核应用处理器已经比较成熟了。
为了提高产品质量,加强在市场中的竞争地位,促进民族3G标准,推动产业发展,中国移动
通信公司每年不定期组织召集进行TD.SCDMA产品的招标工作,以期在产品质量、产品性能和价格上具有和其他两种制式同等的竞争力。
本课题即来源于海信通信公司为中国移动通信公司定制开发的双核TD—SCDMA智能手机产品。
目前在WCDMA领域已经陆续有双核产品上市,但在TD.SCDMA领域还没有此类产品。
基于TD.SCDMA芯片平台发展的劣势,为了支持民族标准,这款产品采用了应用处理器加基带处理器(MODEM)的架构,以弥补TD.SCDMA芯片平台领域性能不足的缺陷,以达到实现更加优异性能的智能手机产品,满足用户需求。
本产品除了具备通话、短信等基本的电信功能外,还拥有非常强大的多媒体功能。
支持流畅的1080P高清视频播放、高保真音乐播放,并能够满足在手机产品上支持良好的3D游戏运行。
同时配合众多的传感器及外围接口可以给用户提供优良的用户感受。
通过便捷的邮件客户端以及内置第三方omce、电子书等办公软件,通过WIFI及基带处理器(TD.SCDMA/GSM双模)连接互联网,可以满足用户绝大部分的办公需求。
是中国移动首款千元双核、支持Android4.0操作系统的智能机,标志着海信TD.SCDMA智能手机进入了一个全新的发展阶段。
本设计面向支持移动3G网络的终端开放平台,可以支持多种3G移动通信制式。
本次研究的目的是要搭建一个稳定的、可扩展的、开放的终端平台,不断提升企业核心竞争力。
为后续持续推出高端、高性能产品打下坚实基础。
并且随着TDD—LTE的发展,将首先采用这种模式进行产品设计、开发。
满足国内TDD.LTE产品发展需要。
在本课题设计完成后,可以有效的解决国产品牌在高性能手机上处于落后的状态,有力的促进和推动我国移动通信行业的良性发展。
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论文1.4本文完成的主要
工作 目前智能手机销量呈现爆发式增长态势,市场逐步走向规模化发展。
能否快速满足用户的新需求,吸引新的用户群,寻求通信业务发展新的增值点,提供多样化、多层次化的业务,已成为各终端厂商在竞争中求生存、求发展的首要任务。
为适应市场变化,满足用户需求,支持民族3G标准产业发展,海信通信公司确定建设TD.SCDMA双核智能手机平台项目。
本人作为项目课题组主要成员参加开发工作。
在这一项目中,
论文首先对双核应用处理器、NVIDIA AP20H应用处理器以及展讯SC8803G基带处理器进行了系统的
学习研究。
对智能手机平台现状和结构特点进行了细致的分析。
对基于应用处理器加基带处理器智能手机平台进行了设计和实际开发,并主要研究、完成了此课题的硬件总体方案、关键模块的基带电路设计和相关调试工作。
第一章简述了智能手机的基本概念、发展趋势。
概要地叙述本
论文的课题来源、研究实现的意义以及
论文内容的安排。
第二章介绍了本课题所涉及的删双核处理器、智能手机电路设计过程中所采用的关键设计技术。
第三章详细阐述了平台搭建中的关键技术以及详细实现。
重点为系统电源设计、应用处理器和基带处理器之间的互连互通设计和音频设计等。
第四章对本案平台搭建过程中遇到的一些特殊
问题进行了详细的分析和论述。
对调试过程中的问题进行了讨论和对策解决。
最后为总结和展望。
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论文 第二章双核处理器及电路设计技术2.1 AIm处理器2.1.1什么是AI泓处理器04J ARM处理器是一种32位嵌入式砒SC(Reduced instruction set computer)处理器。
A1w(Advallced RjSC Machines)既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对微处理器的通称。
ARM既不是一种体系结构,也不是一种实现结构,而只是一种
计算机设计的基本准则,或是一种设计思想,还可以认为是一种技术的名字。
A1w拥有全球众多的合作伙伴和完整产业链。
A蹦处理器的特点是: ·小体积、低功耗、低成本、高性能; ·精简指令集,16位/32位双指令集; ·大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;指令长度固定; ·采用LOAD(取)/STORE(存)架构; ·不支持不对齐的存储器访问; ·统一的16×32-bit寄存器; ·固定的32位指令长度,非常适合指令解码,流水线利用:使用Thumb指令 (A蹦体系结构中一种16位的指令集)可以提升
代码密度; ·绝大部分为单指令周期指令;2.1.2 AIm处理器分类 AI己M处理器主要分为三大系列:经典型(Classic)、嵌入式(Embedded)、应用处理器(Application)。
在手机设计领域常见的是经典型(例如:AI洲7、AIW9)和应用处理器(例如:Conex.A5、Cortex—A9【5】)。
功能手机和早期的智能手机一般采用A1w经典型内核。
随着技术的发展和高性能指标要求,目前新的应用处理器多采用CorteX.A架构内核。
Conex.A系列内核与传统的删内核相比有很大改进,表2.1是目前主流的A刚内核架构对比。
从性能上看,Conex内核具有明显的优势。
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论文 表2.1 Al洲内核架构特点对比表 ARM9 AI洲11 A5 A9 A15 指令集 ARMv5 ARMv6 ARMv7.A ARMv7.A A砌Ⅵv7.A 流水线 5级 8级 8级 8级 15级 1.1MDIPS 1.25DMIPS 1.57DMIPS 2.5DMIPS 3.5DMIPS 性能 /MHz /MHz /M时z /MHz /MHz 超标量 超标量 双发射 双发射 双发射 可选配 可选配 可选配 协处理器 可选VFP2 可选VFP2 NeOn/VFPv3 Neo棚Pv3 Neon/VFPv4 SIN皿 不支持 支持 支持 支持 支持 多核支持 支持多核 支持多核 支持多核 执行方式 .