超低功耗技术的先驱：TI 采用新型“金刚狼”MCU 平台可使 MCU 总功耗锐减 50%

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。



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。

看看非易失性存储器在汽车信息娱乐系统中的使用情况，FRAM 与闪存的效率对比便能一目了然。当汽车断电时，需要收集和存储多种系统数据，以便能够在汽车重新通电时复原。在系统所保存的这些数据当中，包括了驾驶者和乘客设定的温度值、收音机预设电台、GPS 位置和收音机音量等。

由于汽车并不知道其电源将在什么时候被切断，因此必须使用一个电容器并在汽车通电时对其进行充电。在写入数据的过程中，该电容器负责为闪存和 MCU 供电。需要保存的数据越多，电容器就越大。此外，闪存相对较慢的写入速度对于所能保存的数据量也有影响。

在采用相似电容器的情况下，FRAM 可凭借其高写入速度和功率效率实现 900 倍于闪存的数据存取量。这使得开发人员能够采用较小（而且较便宜）的电容器，设计不太复杂的系统。写操作能力上的这种巨大差异可造就一种全新的低功耗应用，包括那些需要实时数据录入和/或采用能量收集技术的应用。而且，较快的写操作能力还意味着系统可以在更长的时间里处于睡眠模式。

不过，使用 FRAM 也会影响系统的设计方法。闪存的写寿命有限（可写入次数约 10 万次），之后可靠性将开始下降。故此，系统参数常常仅在系统断电时保存到闪存中。而 FRAM 实际上没有限制的写寿命（可写入次数约 100万亿次）则可使开发人员重新考虑其存储系统参数的方式。具体来说，就是可以把所有的数据早早存储在非易失性 FRAM 中（即使在其经常变化时也不例外），而不是把参数存储在 SRAM 中并在断电时保存至闪存。由于不必主动保存参数且不再需要使用电容器，因此这种方式将更进一步地节省成本。

系统唤醒也得到了改善。在上述的汽车应用中，上电时无需将设定值恢复至数据存储器，因为它们已在公用的 FRAM 内存空间里提供。对于可用功率严重受限的应用（比如那些采用能量收集技术的应用），这同样使其效率有所提高。由于在睡眠期之间不需要为存储和恢复数据消耗功率，因此应用可以使用较小的能量收集电路运作，从而降低系统的复杂性与成本。FRAM 使得开发人员能够以“延长操作寿命、降低系统成本和提高产品可靠性”的方式重新考虑其系统架构的设计，这里所述只是一个例子而已。

FRAM 另一项重要功能是可兼用作程序存储器和数据存储器。在基于闪存的系统中，根据代码长度和数据量来优化系统的能力，其受限于 MCU 所集成的闪存和 SRAM 的数量。

快速写存取和实际上无限的可写入次数使 FRAM 既可用作程序存储器，也可用作数据存储器。MSP430FR58xx 系列（首批基于“金刚狼”的器件）将提供 64 K 字节的存储器，并为开发人员在代码与数据之间分配该存储器赋予了全面的灵活性。

同时，这还使得设计人员能够采用具有不同于先前可用之内存比 (memory ratio) 的较小 MCU。此外，TI 还集成了一个存储器保护单元 (MPU)，用于避免数据操作意外改写系统代码以及用于提供额外存储器保护的可锁式代码段。

基于“金刚狼”的器件还将具有一个 SRAM 区块。该存储器可用于那些真正需要 SRAM 的无限制可写入次数的应用（以满足特定操作的要求）。该 SRAM 区块亦可用于帮助简化现有 MSP430 MCU 设计方案的移植。