TI采用新“金刚狼”MCU平台 使MCU总功耗锐减50%

图 3：当系统被唤醒时，它将吸取功率而不执行任何有用的任务。这些唤醒损耗将导致性能下降、响应性减慢和功率效率走低，特别是在那些频繁地在“运行”与“待机”模式之间切换的系统中。

为了降低唤醒损耗，“金刚狼”采取了一种不同的方法。传统上，在不用的时候整个模块或外设都会被关断。通过采用电源门控控制器，使更多的模块或外设以一种“保持”模式运行，“金刚狼”改善了功率效率。在该模式中，对那些处于运行状态并请求时钟的模块保持全面供电。而对于那些处于空闲和未用状态的模块则施以“保持水平”的供电。这意味着将只对专门用于保持模块状态的逻辑电路供电。

电源门控可以在不牺牲性能的情况下实现显著的节能。设想一个在待机模式中处于使用状态的定时器。当此定时器主动请求一个时钟时，电源门控控制器检测到该请求并把定时器保持于一种全面运行的状态。然而，一旦定时器功能完成，则将其供电降至“保持水平”，同时维持配置状态以尽可能地降低功耗。当再次需要定时器时即可快速提供，从而最大限度地减少唤醒损耗。电源门控对于开发人员是透明的，可使他们充分利用业界领先的功率效率，而无须对每个模块或外设进行手动控制(见图 4)。

图 4：这是以一种简单的可视化方式显示的运转中的先进电源门控功能。将器件中的未使用部分维持于“保持状态”，从而使它们能以比采用其他架构时快得多的速度唤醒。

超低功耗MCU需要具备的另一项重要功能是拥有对变化的应用负载做出快速响应的能力。利用可在不需要主 CPU 完整性能的情况下降低其供电功率的技术，即可实现大幅节能。然而，“金刚狼”平台中的智能电源模块可自动适应应用负载的变化(比如：当一个高频模块上电时)，而不需要开发人员以手动的方式调节该功率(见下页上的图 5)。

操作速度根据以下条件进行调节：

· 应用要求

· 最大可用功率

图 5：“金刚狼”智能电源管理模块可自动适应应用负载的变化，从而实现“透明”的功率调节。

在低数字功率下具有低稳压器开销

具体而言，负责为MCU的数字内核供电的自适应低压降稳压器 (LDO) 可根据需要增加其负载，从而对变化的功率要求做出响应。事实上，“金刚狼”能自动检测应用的电流需求并根据需要提供时钟与功率。

图 6：“金刚狼”能自动检测应用的电流需求，随后动态地调节自适应 LDO 以与应用的功率及定时要求相匹配，从而最大限度地提升功率效率。

凭借很高的精细度，该 LDO 能够与各种各样的应用负载相匹配。另外，这种方法还免除了增设诸如缓冲电容器(其在从低负载电流切换至高负载电流时使用)等外部组件的需要。与电源门控一样，该节能技术同样以一种对开发人员“无缝且透明”的方式实现了电源管理的自动化。

铁电随机存取存储器 (FRAM)

MCU程序代码和主要系统参数通常存储于非易失性存储器之中，最常用的是闪存或 EEPROM。闪存的写入速度偏慢，而且功耗高、可写入次数少，因而不适用于数据存储。因此，MCU 通常至少具有两类存储器：用于存储代码的闪存和用于存储数据的 SRAM。

为了克服闪存的局限性，TI在“金刚狼”架构中集成了一个全新的非易失性存储位 - 铁电随机存取存储器 (FRAM)。TI投资研发 FRAM 技术已有 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 年以来TI还与 Ramtron 公司合作生产独立型 FRAM 器件。

FRAM 与 DRAM 很相似，只是它利用一种结晶状态(而不是电荷)来存储数据。所以，它具有与 DRAM 相似的读/写存取和快速周期。

FRAM 同样也是一种随机存取存储器，其每个位都可个别地读或写。此外，FRAM 还采用一种简单的单步写过程。这意味着它不需要像使用闪存时那样在进行写操作之前进行一次单独的擦除操作。

与闪存相比，FRAM 具有很高的效率(见表 1)。闪存的写操作需要 10 V～15 V 的电压和一个充电泵，这增加了几 ms 的充电时间。另外，闪存的写入还是一种多级操作，期间必须禁用中断。这一因素使得闪存的块写入变得复杂化，因为系统必须将此类写入划分为若干个可在其间启用中断的较小区块，这样就不会丢失关键的信号或事件。

表 1：非易失性存储器技术的比较

1 - 独立型 EEPROM 写操作

2 - 总功耗

FRAM、SRAM 和闪存的数据代表了器件内部嵌入式存储器的性能

与此截然不同的是，FRAM 的写操作只需要 1.5 V 电压。再加上其写入速度是闪存的 100 倍，因此实际的写操作能耗下降了 250 倍。另外，由于在 FRAM 操作期间中断可以运行，所以还能在不增加编程复杂性的情况下保持系统可靠性。