TI采用新“金剛狼”MCU平臺(tái) 使MCU總功耗銳減50%

圖 3：當(dāng)系統(tǒng)被喚醒時(shí)，它將吸取功率而不執(zhí)行任何有用的任務(wù)。這些喚醒損耗將導(dǎo)致性能下降、響應(yīng)性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運(yùn)行”與“待機(jī)”模式之間切換的系統(tǒng)中。

為了降低喚醒損耗，“金剛狼”采取了一種不同的方法。傳統(tǒng)上，在不用的時(shí)候整個(gè)模塊或外設(shè)都會(huì)被關(guān)斷。通過采用電源門控控制器，使更多的模塊或外設(shè)以一種“保持”模式運(yùn)行，“金剛狼”改善了功率效率。在該模式中，對(duì)那些處于運(yùn)行狀態(tài)并請(qǐng)求時(shí)鐘的模塊保持全面供電。而對(duì)于那些處于空閑和未用狀態(tài)的模塊則施以“保持水平”的供電。這意味著將只對(duì)專門用于保持模塊狀態(tài)的邏輯電路供電。

電源門控可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能。設(shè)想一個(gè)在待機(jī)模式中處于使用狀態(tài)的定時(shí)器。當(dāng)此定時(shí)器主動(dòng)請(qǐng)求一個(gè)時(shí)鐘時(shí)，電源門控控制器檢測(cè)到該請(qǐng)求并把定時(shí)器保持于一種全面運(yùn)行的狀態(tài)。然而，一旦定時(shí)器功能完成，則將其供電降至“保持水平”，同時(shí)維持配置狀態(tài)以盡可能地降低功耗。當(dāng)再次需要定時(shí)器時(shí)即可快速提供，從而最大限度地減少喚醒損耗。電源門控對(duì)于開發(fā)人員是透明的，可使他們充分利用業(yè)界領(lǐng)先的功率效率，而無須對(duì)每個(gè)模塊或外設(shè)進(jìn)行手動(dòng)控制(見圖 4)。

圖 4：這是以一種簡(jiǎn)單的可視化方式顯示的運(yùn)轉(zhuǎn)中的先進(jìn)電源門控功能。將器件中的未使用部分維持于“保持狀態(tài)”，從而使它們能以比采用其他架構(gòu)時(shí)快得多的速度喚醒。

超低功耗 MCU需要具備的另一項(xiàng)重要功能是擁有對(duì)變化的應(yīng)用負(fù)載做出快速響應(yīng)的能力。利用可在不需要主 CPU 完整性能的情況下降低其供電功率的技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能。然而，“金剛狼”平臺(tái)中的智能電源模塊可自動(dòng)適應(yīng)應(yīng)用負(fù)載的變化(比如：當(dāng)一個(gè)高頻模塊上電時(shí))，而不需要開發(fā)人員以手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)該功率(見下頁上的圖 5)。

操作速度根據(jù)以下條件進(jìn)行調(diào)節(jié)：

· 應(yīng)用要求

· 最大可用功率

圖 5：“金剛狼”智能電源管理模塊可自動(dòng)適應(yīng)應(yīng)用負(fù)載的變化，從而實(shí)現(xiàn)“透明”的功率調(diào)節(jié)。

在低數(shù)字功率下具有低穩(wěn)壓器開銷

具體而言，負(fù)責(zé)為 MCU 的數(shù)字內(nèi)核供電的自適應(yīng)低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 可根據(jù)需要增加其負(fù)載，從而對(duì)變化的功率要求做出響應(yīng)。事實(shí)上，“金剛狼”能自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的電流需求并根據(jù)需要提供時(shí)鐘與功率。

圖 6：“金剛狼”能自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的電流需求，隨后動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)自適應(yīng) LDO 以與應(yīng)用的功率及定時(shí)要求相匹配，從而最大限度地提升功率效率。

憑借很高的精細(xì)度，該 LDO 能夠與各種各樣的應(yīng)用負(fù)載相匹配。另外，這種方法還免除了增設(shè)諸如緩沖電容器(其在從低負(fù)載電流切換至高負(fù)載電流時(shí)使用)等外部組件的需要。與電源門控一樣，該節(jié)能技術(shù)同樣以一種對(duì)開發(fā)人員“無縫且透明”的方式實(shí)現(xiàn)了電源管理的自動(dòng)化。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)

MCU 程序代碼和主要系統(tǒng)參數(shù)通常存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器之中，最常用的是閃存或 EEPROM。閃存的寫入速度偏慢，而且功耗高、可寫入次數(shù)少，因而不適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此，MCU 通常至少具有兩類存儲(chǔ)器：用于存儲(chǔ)代碼的閃存和用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的 SRAM。

為了克服閃存的局限性，TI 在“金剛狼”架構(gòu)中集成了一個(gè)全新的非易失性存儲(chǔ)位 - 鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)。TI 投資研發(fā) FRAM 技術(shù)已有 15 年了，而且除了其目前提供的具有嵌入式 FRAM 的 MSP430FR57xx 器件之外，自 2007 年以來 TI 還與 Ramtron 公司合作生產(chǎn)獨(dú)立型 FRAM 器件。

FRAM 與 DRAM 很相似，只是它利用一種結(jié)晶狀態(tài)(而不是電荷)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所以，它具有與 DRAM 相似的讀/寫存取和快速周期。

FRAM 同樣也是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其每個(gè)位都可個(gè)別地讀或?qū)?。此外，F(xiàn)RAM 還采用一種簡(jiǎn)單的單步寫過程。這意味著它不需要像使用閃存時(shí)那樣在進(jìn)行寫操作之前進(jìn)行一次單獨(dú)的擦除操作。

與閃存相比，F(xiàn)RAM 具有很高的效率(見表 1)。閃存的寫操作需要 10 V～15 V 的電壓和一個(gè)充電泵，這增加了幾 ms 的充電時(shí)間。另外，閃存的寫入還是一種多級(jí)操作，期間必須禁用中斷。這一因素使得閃存的塊寫入變得復(fù)雜化，因?yàn)橄到y(tǒng)必須將此類寫入劃分為若干個(gè)可在其間啟用中斷的較小區(qū)塊，這樣就不會(huì)丟失關(guān)鍵的信號(hào)或事件。

表 1：非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的比較

1 - 獨(dú)立型 EEPROM 寫操作

2 - 總功耗

FRAM、SRAM 和閃存的數(shù)據(jù)代表了器件內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)器的性能

與此截然不同的是，F(xiàn)RAM 的寫操作只需要 1.5 V 電壓。再加上其寫入速度是閃存的 100 倍，因此實(shí)際的寫操作能耗下降了 250 倍。另外，由于在 FRAM 操作期間中斷可以運(yùn)行，所以還能在不增加編程復(fù)雜性的情況下保持系統(tǒng)可靠性。