鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 - 超低功耗技術(shù)的先驅(qū)：TI采用新型“金剛狼(Wolverine)”MCU平臺(tái)可使MCU總功耗銳減50%

　　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。

　　看看非易失性存儲(chǔ)器在汽車信息娛樂系統(tǒng)中的使用情況，F(xiàn)RAM 與閃存的效率對比便能一目了然。當(dāng)汽車斷電時(shí)，需要收集和存儲(chǔ)多種系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便能夠在汽車重新通電時(shí)復(fù)原。在系統(tǒng)所保存的這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，包括了駕駛者和乘客設(shè)定的溫度值、收音機(jī)預(yù)設(shè)電臺(tái)、GPS 位置和收音機(jī)音量等。

　　由于汽車并不知道其電源將在什么時(shí)候被切斷，因此必須使用一個(gè)電容器并在汽車通電時(shí)對其進(jìn)行充電。在寫入數(shù)據(jù)的過程中，該電容器負(fù)責(zé)為閃存和 MCU 供電。需要保存的數(shù)據(jù)越多，電容器就越大。此外，閃存相對較慢的寫入速度對于所能保存的數(shù)據(jù)量也有影響。

　　在采用相似電容器的情況下，F(xiàn)RAM 可憑借其高寫入速度和功率效率實(shí)現(xiàn) 900 倍于閃存的數(shù)據(jù)存取量。這使得開發(fā)人員能夠采用較小(而且較便宜)的電容器，設(shè)計(jì)不太復(fù)雜的系統(tǒng)。寫操作能力上的這種巨大差異可造就一種全新的低功耗應(yīng)用，包括那些需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入和/或采用能量收集技術(shù)的應(yīng)用。而且，較快的寫操作能力還意味著系統(tǒng)可以在更長的時(shí)間里處于睡眠模式。

　　不過，使用 FRAM 也會(huì)影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。閃存的寫壽命有限(可寫入次數(shù)約 10 萬次)，之后可靠性將開始下降。故此，系統(tǒng)參數(shù)常常僅在系統(tǒng)斷電時(shí)保存到閃存中。而 FRAM 實(shí)際上沒有限制的寫壽命(可寫入次數(shù)約 100萬億次)則可使開發(fā)人員重新考慮其存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)的方式。具體來說，就是可以把所有的數(shù)據(jù)早早存儲(chǔ)在非易失性 FRAM 中(即使在其經(jīng)常變化時(shí)也不例外)，而不是把參數(shù)存儲(chǔ)在 SRAM 中并在斷電時(shí)保存至閃存。由于不必主動(dòng)保存參數(shù)且不再需要使用電容器，因此這種方式將更進(jìn)一步地節(jié)省成本。

　　系統(tǒng)喚醒也得到了改善。在上述的汽車應(yīng)用中，上電時(shí)無需將設(shè)定值恢復(fù)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因?yàn)樗鼈円言诠玫?FRAM 內(nèi)存空間里提供。對于可用功率嚴(yán)重受限的應(yīng)用(比如那些采用能量收集技術(shù)的應(yīng)用)，這同樣使其效率有所提高。由于在睡眠期之間不需要為存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)消耗功率，因此應(yīng)用可以使用較小的能量收集電路運(yùn)作，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。FRAM 使得開發(fā)人員能夠以“延長操作壽命、降低系統(tǒng)成本和提高產(chǎn)品可靠性”的方式重新考慮其系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，這里所述只是一個(gè)例子而已。

　　FRAM 另一項(xiàng)重要功能是可兼用作程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在基于閃存的系統(tǒng)中，根據(jù)代碼長度和數(shù)據(jù)量來優(yōu)化系統(tǒng)的能力，其受限于 MCU 所集成的閃存和 SRAM 的數(shù)量。

　　快速寫存取和實(shí)際上無限的可寫入次數(shù)使 FRAM 既可用作程序存儲(chǔ)器，也可用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MSP430FR58xx 系列(首批基于“金剛狼”的器件)將提供 64 K 字節(jié)的存儲(chǔ)器，并為開發(fā)人員在代碼與數(shù)據(jù)之間分配該存儲(chǔ)器賦予了全面的靈活性。

　　同時(shí)，這還使得設(shè)計(jì)人員能夠采用具有不同于先前可用之內(nèi)存比 (memory ratio) 的較小 MCU。此外，TI 還集成了一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元 (MPU)，用于避免數(shù)據(jù)操作意外改寫系統(tǒng)代碼以及用于提供額外存儲(chǔ)器保護(hù)的可鎖式代碼段。

　　基于“金剛狼”的器件還將具有一個(gè) SRAM 區(qū)塊。該存儲(chǔ)器可用于那些真正需要 SRAM 的無限制可寫入次數(shù)的應(yīng)用(以滿足特定操作的要求)。該 SRAM 區(qū)塊亦可用于幫助簡化現(xiàn)有 MSP430 MCU 設(shè)計(jì)方案的移植。

　　實(shí)際的處理效率

　　對于超低功耗應(yīng)用而言，功耗的減半實(shí)際上遠(yuǎn)比處理器速度的倍增更合乎需要。通過提高系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)及從睡眠狀態(tài)喚醒的速度，開發(fā)人員可在相同的時(shí)間和功耗情況下完成更多的處理任務(wù)，從而實(shí)際上加快了處理速度。這也為開發(fā)人員管理其設(shè)計(jì)中的功率提供了更多的控制手段。針對嵌入式應(yīng)用，開發(fā)人員能夠充分利用基于“金剛狼”的高效率器件并調(diào)節(jié)至其所需的確切性能水平，而無須使用智能手機(jī)級的 MCU。

　　“金剛狼”器件將與現(xiàn)有的 MSP430 MCU 工具和軟件相容，從而使開發(fā)人員可充分“享用”無所不包的 MSP430 MCU 生態(tài)系統(tǒng)。芯片與工具鏈中的內(nèi)置硬件將幫助開發(fā)人員實(shí)時(shí)跟蹤電能使用狀況(獲得準(zhǔn)確的功率分配圖)，這樣在估計(jì)系統(tǒng)功耗和有效操作壽命時(shí)就不再需要依靠猜測了。TI 還將提供專為分析代碼而設(shè)計(jì)的優(yōu)化工具，以確保功率效率。

　　在過去的 10 年里，TI 以開發(fā)超低功耗技術(shù)為己任?！敖饎偫恰睅椭鷮?shí)現(xiàn)了性能與透明電源管理技術(shù)的重大突破，開發(fā)人員因此能夠把更多的時(shí)間投入到設(shè)計(jì)其應(yīng)用的核心功能上，而減少花費(fèi)在優(yōu)化功耗上的時(shí)間。

　　“金剛狼”平臺(tái)使 MCU 的功耗銳減 50%，從而真正改變了超低功耗技術(shù)領(lǐng)域的面貌。這種高功率效率與低功耗能量收集技術(shù)的進(jìn)步相結(jié)合，使業(yè)界朝著“無電池世界”又邁近了一步。