TI采用新“金剛狼”MCU平臺 使MCU總功耗銳減50%

圖 3：當系統(tǒng)被喚醒時，它將吸取功率而不執(zhí)行任何有用的任務。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(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，在不用的時候整個模塊或外設都會被關斷。通過采用電源門控控制器，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。這意味著將只對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現(xiàn)顯著的節(jié)能。設想一個在待機模式中處于使用狀態(tài)的定時器。當此定時器主動請求一個時鐘時，電源門控控制器檢測到該請求并把定時器保持于一種全面運行的狀態(tài)。然而，一旦定時器功能完成，則將其供電降至“保持水平”，同時維持配置狀態(tài)以盡可能地降低功耗。當再次需要定時器時即可快速提供，從而最大限度地減少喚醒損耗。電源門控對于開發(fā)人員是透明的，可使他們充分利用業(yè)界領先的功率效率，而無須對每個模塊或外設進行手動控制(見圖 4)。

圖 4：這是以一種簡單的可視化方式顯示的運轉中的先進電源門控功能。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時快得多的速度喚醒。

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，即可實現(xiàn)大幅節(jié)能。然而，“金剛狼”平臺中的智能電源模塊可自動適應應用負載的變化(比如：當一個高頻模塊上電時)，而不需要開發(fā)人員以手動的方式調節(jié)該功率(見下頁上的圖 5)。

操作速度根據(jù)以下條件進行調節(jié)：

· 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適應應用負載的變化，從而實現(xiàn)“透明”的功率調節(jié)。

在低數(shù)字功率下具有低穩(wěn)壓器開銷

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

圖 6：“金剛狼”能自動檢測應用的電流需求，隨后動態(tài)地調節(jié)自適應 LDO 以與應用的功率及定時要求相匹配，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使用)等外部組件的需要。與電源門控一樣，該節(jié)能技術同樣以一種對開發(fā)人員“無縫且透明”的方式實現(xiàn)了電源管理的自動化。

鐵電隨機存取存儲器 (FRAM)

MCU 程序代碼和主要系統(tǒng)參數(shù)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。因此，MCU 通常至少具有兩類存儲器：用于存儲代碼的閃存和用于存儲數(shù)據(jù)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)來存儲數(shù)據(jù)。所以，它具有與 DRAM 相似的讀/寫存取和快速周期。

FRAM 同樣也是一種隨機存取存儲器，其每個位都可個別地讀或寫。此外，F(xiàn)RAM 還采用一種簡單的單步寫過程。這意味著它不需要像使用閃存時那樣在進行寫操作之前進行一次單獨的擦除操作。

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 的電壓和一個充電泵，這增加了幾 ms 的充電時間。另外，閃存的寫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入變得復雜化，因為系統(tǒng)必須將此類寫入劃分為若干個可在其間啟用中斷的較小區(qū)塊，這樣就不會丟失關鍵的信號或事件。

表 1：非易失性存儲器技術的比較

1 - 獨立型 EEPROM 寫操作

2 - 總功耗

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

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行，所以還能在不增加編程復雜性的情況下保持系統(tǒng)可靠性。