今年在低功耗微控制器（MCU）市場(chǎng)上，基于Cortex-M0+的MCU賺足了噱頭，而作為20年來(lái)一直走在低功耗MCU最前列的德州儀器（TI）當(dāng)然會(huì)不甘示弱，今年3月，TI重磅推出了超低功耗MSP430 MCU平臺(tái)“金剛狼”（Wolverine）。雖然才短短的半年時(shí)間，但是已有很多早期客戶在使用“金剛狼”系列，并取得了很好的反響。近日，TI半導(dǎo)體事業(yè)部MCU 業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻（Paul）向記者講述了很多有趣的關(guān)于“金剛狼”的故事。
圖1 TI半導(dǎo)體事業(yè)部MCU 業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理吳健鴻（Paul）
Paul說(shuō)：“TI為什么要花超過(guò)3~4年的時(shí)間去做一個(gè)平臺(tái)呢？因?yàn)檫^(guò)去20年來(lái)，TI的MSP430一直都是全球最低功耗的MCU，很多廠商如果希望做一個(gè)低功耗的MCU，一定會(huì)與MSP430作比較，可以說(shuō)，MSP430一直以來(lái)都是業(yè)界的一個(gè)低功耗標(biāo)準(zhǔn)。我們發(fā)現(xiàn)有很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都已經(jīng)開(kāi)始改善其低功耗MCU，因此我們覺(jué)得是時(shí)候多花點(diǎn)時(shí)間將MSP430作更深層次的優(yōu)化。我們做這個(gè)平臺(tái)的初衷很簡(jiǎn)單，就是把低功耗的門檻再提高。就是說(shuō)，如果要做低功耗MCU的話，我們還是最低功耗的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。”
工藝、FRAM和DNA
TI花了1年多的時(shí)間去改進(jìn)工藝，最終采用了一種比較特別的超低漏電流工藝，它能在全溫度范圍內(nèi)保持低功耗。為了提高集成度，90%的MCU會(huì)集成ADC等模擬外設(shè),因此，MCU要達(dá)到低功耗,還需要考慮怎樣降低模擬外設(shè)的功耗。而超低漏電流工藝就可以實(shí)現(xiàn)模擬部分以及其他擴(kuò)展的部分的低功耗。金剛狼的外設(shè)功耗最低達(dá)75 μA（采用12 bit ADC），可以說(shuō)是業(yè)界最低。
全溫度范圍有這樣一個(gè)故事，Paul說(shuō)：“有的低功耗MCU在應(yīng)用的時(shí)候，比如熱表應(yīng)用，客戶做測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，為什么不是宣傳的低功耗了？這些MCU廠商就會(huì)覺(jué)得很奇怪，明明是低功耗，怎么不行了。后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，因?yàn)闊岜響?yīng)用一般溫度超過(guò)了50~70℃，他們的產(chǎn)品在常溫的時(shí)候確實(shí)是低功耗，但是一旦溫度提高了，它的低功耗特性就沒(méi)有了。而‘金剛狼’能在全溫度范圍維持低功耗。”
當(dāng)然不能每次只改一下工藝，此次，TI獨(dú)具匠心地把鐵電（FRAM）技術(shù)應(yīng)用到MSP430中，它所帶來(lái)的好處是令人驚訝的。Paul解釋到：“一般的MCU通常用Flash（閃存）存儲(chǔ)代碼，用EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要對(duì)片上Flash 擦寫時(shí)，MCU內(nèi)部需要專門的升壓電路將電源電壓(通常為3.3 V)升至15 V，才能執(zhí)行Flash擦寫操作，因此，MCU在寫Flash的時(shí)候是特別耗電的。FRAM在執(zhí)行擦寫時(shí)不需要升壓到15 V，可以直接寫，而且FRAM寫入速度比一般的Flash快了近1 000倍?；贔RAM的上述兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，MCU在寫FRAM時(shí)的功耗是MCU寫Flash時(shí)功耗的1/250，實(shí)現(xiàn)了最低的內(nèi)存功耗。”
除此之外，一直以來(lái)MSP430整個(gè)架構(gòu)都是低功耗的，已經(jīng)有了低功耗的DNA。MSP430可以提供7種不同低功耗模式，客戶可以根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的模式,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最低功耗。因此，把工藝、FRAM和DNA這三者加起，TI的“金剛狼”平臺(tái)就應(yīng)運(yùn)而生了。
Paul強(qiáng)調(diào)：“低功耗并不能用一個(gè)數(shù)據(jù)去證明，而是要綜合待機(jī)功耗、外設(shè)功耗、內(nèi)存消耗和運(yùn)行功耗。我們?cè)谂c客戶溝通的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，很多電池供電的應(yīng)用一般在80%~90%的時(shí)間里都是在睡眠狀態(tài)（即待機(jī)模式），因此待機(jī)功耗十分重要，‘金剛狼’的待機(jī)功耗低至360 nA。此外，其睡眠喚醒時(shí)間很短，這也有助于降低功耗。在電池供電應(yīng)用中，判定、簡(jiǎn)單的計(jì)算以及控制處理都是必要的，‘金剛狼’的運(yùn)行功耗（包括內(nèi)存訪問(wèn)功耗）也是非常低的，大概為100 μA/MHz。”綜合來(lái)看，“金剛狼”可以實(shí)現(xiàn)最低的待機(jī)功耗、外設(shè)功耗、內(nèi)存消耗和運(yùn)行功耗。
其實(shí)要找一個(gè)對(duì)自己有利的數(shù)據(jù)是比較容易的，但是在低功耗應(yīng)用中，真正最重要的是看電池可以用多長(zhǎng)時(shí)間。通過(guò)圖2可以看出，在典型運(yùn)動(dòng)/健康應(yīng)用和熱表應(yīng)用中，“金剛狼”的各種功耗都占優(yōu)勢(shì)。說(shuō)起熱表，還有一個(gè)小故事，Paul說(shuō)：“20年前，TI之所以做MSP430的設(shè)計(jì)，就是為了滿足當(dāng)時(shí)某一個(gè)熱表客戶的要求，這樣就有了低功耗的戰(zhàn)略，做出來(lái)以后真的是最低功耗。20年后，TI ‘金剛狼’第一個(gè)客戶也恰好是熱表廠商。”
圖2 “金剛狼”功耗與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的比較
記者發(fā)現(xiàn)，在寫數(shù)據(jù)比較多的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)寫入的功耗占的比例是最多的，那么如果競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也把Flash換成FRAM，是不是就可以了呢？Paul講述了這樣一個(gè)故事來(lái)釋疑：“如果其他公司要用FRAM就需要向我們購(gòu)買。TI將FRAM集成在MCU上是走在全球前列的。大概十幾年前，Ramtron開(kāi)始研發(fā)FRAM，但是它沒(méi)有自己的工廠，一定要找一個(gè)合作伙伴幫他們做研發(fā)，他們找到了TI。到目前為止，所有Ramtron的產(chǎn)品都是在TI生產(chǎn)的，而FRAM的生產(chǎn)確實(shí)是很難的。這就是為什么我們可以用FRAM這個(gè)技術(shù)。”
處理器一般的功能可以分為運(yùn)算、控制（特別是實(shí)時(shí)控制）還有微控制，針對(duì)這些功能TI有不同的產(chǎn)品。而“金剛狼”簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)就特別適合“微控制”應(yīng)用。Paul說(shuō)：“TI很多時(shí)候都會(huì)按照某一個(gè)應(yīng)用去設(shè)計(jì)某一個(gè)產(chǎn)品，例如，在電表中其實(shí)需要作很多算法，特別是計(jì)算ADC獲取的一大堆數(shù)據(jù)，為此，我們就會(huì)加一些加速器。” “金剛狼”就針對(duì)主要的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，如原生位操作支持（能單獨(dú)修改1個(gè)bit）、正交尋址和實(shí)時(shí)中斷（反應(yīng)速度快）。它還集成了硬件加速器，里面有乘法器、加密單元（無(wú)線通信時(shí)可以用到）、CRC以及隨機(jī)數(shù)生成。“金剛狼”還有靈活的電源管理模塊和快速喚醒用時(shí)鐘，并集成了UART、I2C、SPI、PWM和定時(shí)器。
此次的“金剛狼”故事就到這里，而低功耗MCU的故事將不斷地延續(xù)，并且將更加精彩，敬請(qǐng)期待！
圖3 新的“金剛狼”平臺(tái)開(kāi)發(fā)板