TI采用新“金剛狼”MCU平臺 使MCU總功耗銳減50%

圖 3：當系統被喚醒時(shí)，它將吸取功率而不執行任何有用的任務(wù)。這些喚醒損耗將導致性能下降、響應性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運行”與“待機”模式之間切換的系統中。

為了降低喚醒損耗，“金剛狼”采取了一種不同的方法。傳統上，在不用的時(shí)候整個(gè)模塊或外設都會(huì )被關(guān)斷。通過(guò)采用電源門(mén)控控制器，使更多的模塊或外設以一種“保持”模式運行，“金剛狼”改善了功率效率。在該模式中，對那些處于運行狀態(tài)并請求時(shí)鐘的模塊保持全面供電。而對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(zhù)將只對專(zhuān)門(mén)用于保持模塊狀態(tài)的邏輯電路供電。

電源門(mén)控可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現顯著(zhù)的節能。設想一個(gè)在待機模式中處于使用狀態(tài)的定時(shí)器。當此定時(shí)器主動(dòng)請求一個(gè)時(shí)鐘時(shí)，電源門(mén)控控制器檢測到該請求并把定時(shí)器保持于一種全面運行的狀態(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(mén)控對于開(kāi)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(wú)須對每個(gè)模塊或外設進(jìn)行手動(dòng)控制(見(jiàn)圖 4)。

圖 4：這是以一種簡(jiǎn)單的可視化方式顯示的運轉中的先進(jìn)電源門(mén)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時(shí)快得多的速度喚醒。

超低功耗 MCU需要具備的另一項重要功能是擁有對變化的應用負載做出快速響應的能力。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)現大幅節能。然而，“金剛狼”平臺中的智能電源模塊可自動(dòng)適應應用負載的變化(比如：當一個(gè)高頻模塊上電時(shí))，而不需要開(kāi)發(fā)人員以手動(dòng)的方式調節該功率(見(jiàn)下頁(yè)上的圖 5)。

操作速度根據以下條件進(jìn)行調節：

· 應用要求

· 最大可用功率

圖 5：“金剛狼”智能電源管理模塊可自動(dòng)適應應用負載的變化，從而實(shí)現“透明”的功率調節。

在低數字功率下具有低穩壓器開(kāi)銷(xiāo)

具體而言，負責為 MCU 的數字內核供電的自適應低壓降穩壓器 (LDO) 可根據需要增加其負載，從而對變化的功率要求做出響應。事實(shí)上，“金剛狼”能自動(dòng)檢測應用的電流需求并根據需要提供時(shí)鐘與功率。

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

憑借很高的精細度，該 LDO 能夠與各種各樣的應用負載相匹配。另外，這種方法還免除了增設諸如緩沖電容器(其在從低負載電流切換至高負載電流時(shí)使用)等外部組件的需要。與電源門(mén)控一樣，該節能技術(shù)同樣以一種對開(kāi)發(fā)人員“無(wú)縫且透明”的方式實(shí)現了電源管理的自動(dòng)化。

鐵電隨機存取存儲器 (FRAM)

MCU 程序代碼和主要系統參數通常存儲于非易失性存儲器之中，最常用的是閃存或 EEPROM。閃存的寫(xiě)入速度偏慢，而且功耗高、可寫(xiě)入次數少，因而不適用于數據存儲。因此，MCU 通常至少具有兩類(lèi)存儲器：用于存儲代碼的閃存和用于存儲數據的 SRAM。

為了克服閃存的局限性，TI 在“金剛狼”架構中集成了一個(gè)全新的非易失性存儲位 - 鐵電隨機存取存儲器 (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(lái) TI 還與 Ramtron 公司合作生產(chǎn)獨立型 FRAM 器件。

FRAM 與 DRAM 很相似，只是它利用一種結晶狀態(tài)(而不是電荷)來(lái)存儲數據。所以，它具有與 DRAM 相似的讀/寫(xiě)存取和快速周期。

FRAM 同樣也是一種隨機存取存儲器，其每個(gè)位都可個(gè)別地讀或寫(xiě)。此外，FRAM 還采用一種簡(jiǎn)單的單步寫(xiě)過(guò)程。這意味著(zhù)它不需要像使用閃存時(shí)那樣在進(jìn)行寫(xiě)操作之前進(jìn)行一次單獨的擦除操作。

與閃存相比，FRAM 具有很高的效率(見(jiàn)表 1)。閃存的寫(xiě)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(xiě)入還是一種多級操作，期間必須禁用中斷。這一因素使得閃存的塊寫(xiě)入變得復雜化，因為系統必須將此類(lèi)寫(xiě)入劃分為若干個(gè)可在其間啟用中斷的較小區塊，這樣就不會(huì )丟失關(guān)鍵的信號或事件。

表 1：非易失性存儲器技術(shù)的比較

1 - 獨立型 EEPROM 寫(xiě)操作

2 - 總功耗

FRAM、SRAM 和閃存的數據代表了器件內部嵌入式存儲器的性能

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