引言

    德州儀器(TI) 于上世紀70 年代推出了微控制器(MCU)，并已在眾多的平臺中運用了此項技術(shù)，包括超低功耗MSP430™ MCU 產(chǎn)品系列。MSP430 MCU 十多年來一直是業(yè)界超低功耗技術(shù)的領(lǐng)先者，而且每一代新型架構(gòu)皆專注于創(chuàng)造全新的功耗與效率指標記錄。

    MSP430 架構(gòu)業(yè)已提供了僅在需要時才喚醒的智能外設(shè)、允許MCU 內(nèi)部的模塊以不同頻率運作的靈活定時、以及先進的電源管理技術(shù)等，這些只是其諸多創(chuàng)新成果中的幾個而已。雖然貴為業(yè)界領(lǐng)袖，但TI 并未因此沾沾自喜固步自封，而是一如既往地投入巨資不斷地開發(fā)最先進的超低功耗技術(shù)。

    憑借“金剛狼(Wolverine)”MCU 平臺（因其運用了激進的節(jié)能技術(shù)而擁有了這一代號），TI 創(chuàng)立了下一代MSP430 架構(gòu)（見圖1）。這款新型平臺將MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個新臺階。

* 據(jù)美國史密森研究所(Smithsonian Institution) 提供的資料。

    圖1：憑借“金剛狼”MCU 平臺（因其運用了激進的節(jié)能技術(shù)而擁有了這一代號），TI 創(chuàng)建了下一代MSP430 架構(gòu)，其將MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個新臺階。

·      運行模式功耗低至100μA/MHz

·      待機流耗低于400 nA（RTC 和欠壓保護模式）

·      FRAM 每位能耗下降了250 倍

·      可在不到7μs 的時間里從待機模式喚醒至運行模式

    TI“金剛狼”平臺之所以實現(xiàn)了引人注目的功耗性能提升，憑借的是其新型130 nm 超低漏電(ULL) 工藝技術(shù)、集成型低功耗非易失性存儲器以及利用先進的電源管理與高精度低功耗模擬組件得以增強的MSP430 原生優(yōu)勢。

130 nm 超低漏電(ULL) 工藝技術(shù)

    鑒于超低功耗器件有99.9% 的時間都處于待機模式，因此在較小的工藝幾何尺寸下，漏電流便成為了決定功率效率的一個關(guān)鍵因素。低功耗設(shè)計的挑戰(zhàn)源于晶體管漏電流的指數(shù)性增加（因柵極長度的不斷縮減及柵極氧化物所致）。

    漏電流基于電子在節(jié)點之間必須移動的距離，而隨著這個距離的不斷縮小，電子在節(jié)點之間的泄放越來越容易。以基于25 nm 或45 nm 工藝的PC 用高性能微處理器(MPU) 為例，其必須使用特殊的材料來控制漏電。對于MCU，漏電流從180 nm CMOS 工藝節(jié)點開始變成了一個重要的考慮因素。

    通過其在65 nm、45 nm 和28 nm 工藝節(jié)點上設(shè)計的GHz 智能手機處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)，TI 對于較小工藝節(jié)點下的漏電流了如指掌，而且TI 的工程師們把學(xué)到的有關(guān)這些較小工藝幾何尺寸下的漏電流特性的知識，全部都應(yīng)用到了“金剛狼”的130 nm 工藝中。

    歷史上，MCU 設(shè)計人員往往將其創(chuàng)新的著重點放在提高性能和密度上。自1965 年以來，摩爾定律(Moore’s Law) 一直在推動著晶體管和芯片性能的提升。雖然這種改進的步伐在過去的10 年間有所放緩，但工藝技術(shù)每18 個月將性能提升一倍的歷史，已經(jīng)有30 多年了。

    就130 nm“金剛狼”平臺而言，TI 通過專為提升功率效率而設(shè)計，并針對較低漏電流和其他硅工藝固有特性而優(yōu)化的電路，恢復(fù)了摩爾定律在改善功耗（而非性能）指標方面的作用。盡管沒有像采用傳統(tǒng)方法時那樣將性能提升一倍，但TI 卻代之以功耗的減半（也就是將功耗指標改善了一倍），同時保持了現(xiàn)今MSP430 MCU 架構(gòu)的高性能。

    結(jié)果，與其他130 nm CMOS 工藝相比，各個晶體管的最小漏電流將至少減低10 倍，而運行功耗則總體下降了15%（圖2）。

圖2：采用低漏電法雖未提高性能，卻可以保持低的功率損失，同時充分利用工藝尺寸縮小帶來的運行功耗下降優(yōu)勢。結(jié)果是：漏電流減低10 倍，而運行功耗總體下降了15%。

超低功耗的基礎(chǔ)

     為了獲得新型130 nm 工藝技術(shù)的最大優(yōu)勢，TI 對其整個設(shè)計工具套件庫進行了全面的重新設(shè)計，旨在將著重點集中在功率效率而非高性能上。這些工具套件（包括標準單元庫、電容器、模擬組件和I/O）基于基礎(chǔ)級晶體管配置，其形成了用于設(shè)計當今復(fù)雜MCU 的主要構(gòu)件。

    針對130 nm 工藝的新型工具套件具有豐富的模擬組件，以實現(xiàn)諸如高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 等外設(shè)和用于大幅降低功耗的內(nèi)部電源管理電路。例如：“金剛狼”模塊產(chǎn)品組合包括一個每秒鐘能完成20 萬次采樣而流耗僅為75μA 的高精度12 位ADC。同樣，具有日歷顯示和報警功能的實時時鐘(RTC) 模塊能夠以僅僅100 nA 的流耗運行。130 nm 的超低漏電工藝與豐富的混合信號集成相組合，有助實現(xiàn)業(yè)界最低的總系統(tǒng)功耗。

先進的電源管理

    功率效率并非只適用于CPU 的功耗。有功電流同樣取決于系統(tǒng)執(zhí)行定時的效率、高精度模擬外設(shè)和通信接口。如欲最大限度地降低各種不同工作負載條件下的功耗，運用先進的電源管理技術(shù)是必不可少的。

    “金剛狼”架構(gòu)提供了MSP430 MCU 電源管理模塊的一種增強型版本。除了支持7 種操作模式之外，“金剛狼”電源管理模塊還能提供先進的電源門控(power gating)，并采用了一個高響應(yīng)性的自適應(yīng)穩(wěn)壓器。在內(nèi)部，MCU 被分割成了幾個功率域，以使系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用的特殊需求動態(tài)地管理器件的每個部分。

    當使系統(tǒng)在盡可能長的時間里處于待機模式時，就最大限度地降低了總體系統(tǒng)功耗。然而，系統(tǒng)每次在待機模式與運行模式之間切換都會產(chǎn)生功耗。特別地，供應(yīng)給電路的電壓不但達到預(yù)期電平而且重新預(yù)置子系統(tǒng)或外設(shè)，以再度變至運作狀態(tài)，都需要時間。在這段時間里，電路吸取的功率日益增大，卻并未完成任何有用的工作（見圖3）。這些喚醒損耗將導(dǎo)致性能下降、響應(yīng)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。

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(wù)。這些喚醒損耗將導(dǎo)致性能下降、響應(yīng)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(shè)都會被關(guān)斷。通過采用電源門控控制器，使更多的模塊或外設(shè)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(shè)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(lǐng)先的功率效率，而無須對每個模塊或外設(shè)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(zhuǎn)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(gòu)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(yīng)用負載做出快速響應(yīng)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(yīng)應(yīng)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(diào)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(diào)節(jié)：

· 應(yīng)用要求

· 最大可用功率

在低數(shù)字功率下具有低穩(wěn)壓器開銷

圖5：“金剛狼”智能電源管理模塊可自動適應(yīng)應(yīng)用負載的變化，從而實現(xiàn)“透明”的功率調(diào)節(jié)。

    具體而言，負責為MCU 的數(shù)字內(nèi)核供電的自適應(yīng)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(yīng)。事實上，“金剛狼”能自動檢測應(yīng)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(yīng)用的電流需求，隨后動態(tài)地調(diào)節(jié)自適應(yīng)LDO 以與應(yīng)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(yīng)用負載相匹配。另外，這種方法還免除了增設(shè)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(shù)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(gòu)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(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?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(fù)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(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(fù)雜性的情況下保持系統(tǒng)可靠性。

     看看非易失性存儲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。當汽車斷電時，需要收集和存儲多種系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便能夠在汽車重新通電時復(fù)原。在系統(tǒng)所保存的這些數(shù)據(jù)當中，包括了駕駛者和乘客設(shè)定的溫度值、收音機預(yù)設(shè)電臺、GPS 位置和收音機音量等。

    由于汽車并不知道其電源將在什么時候被切斷，因此必須使用一個電容器并在汽車通電時對其進行充電。在寫入數(shù)據(jù)的過程中，該電容器負責為閃存和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?。ǘ逸^便宜）的電容器，設(shè)計不太復(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，包括那些需要實時數(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)可以在更長的時間里處于睡眠模式。

     不過，使用FRAM 也會影響系統(tǒng)的設(shè)計方法。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)斷電時保存到閃存中。而FRAM 實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)早早存儲在非易失性FRAM 中（即使在其經(jīng)常變化時也不例外），而不是把參數(shù)存儲在SRAM 中并在斷電時保存至閃存。由于不必主動保存參數(shù)且不再需要使用電容器，因此這種方式將更進一步地節(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，上電時無需將設(shè)定值恢復(fù)至數(shù)據(jù)存儲器，因為它們已在公用的FRAM 內(nèi)存空間里提供。對于可用功率嚴重受限的應(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，這里所述只是一個例子而已。

     FRAM 另一項重要功能是可兼用作程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。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。

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

    同時，這還使得設(shè)計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 還集成了一個存儲器保護單元(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器保護的可鎖式代碼段。

    基于“金剛狼”的器件還將具有一個SRAM 區(qū)塊。該存儲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)計方案的移植。

實際的處理效率

     對于超低功耗應(yīng)用而言，功耗的減半實際上遠比處理器速度的倍增更合乎需要。通過提高系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)及從睡眠狀態(tài)喚醒的速度，開發(fā)人員可在相同的時間和功耗情況下完成更多的處理任務(wù)，從而實際上加快了處理速度。這也為開發(fā)人員管理其設(shè)計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)人員實時跟蹤電能使用狀況（獲得準確的功率分配圖），這樣在估計系統(tǒng)功耗和有效操作壽命時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。“金剛狼”幫助實現(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間投入到設(shè)計其應(yīng)用的核心功能上，而減少花費在優(yōu)化功耗上的時間。

“金剛狼”平臺使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)的進步相結(jié)合，使業(yè)界朝著“無電池世界”又邁近了一步。

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