作者：VinayManikkoth，NileshBadodekar

嵌入式系統(tǒng)的性能取決于其軟硬件能力。一個(gè)編寫合理的軟件可以利用硬件的所有能力發(fā)揮后者的最大性能。與此類似，無(wú)論軟件設(shè)計(jì)多么合理，低效的硬件都可能影響系統(tǒng)性能。

數(shù)十年來(lái)，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一直沒有改變。圖1顯示了一個(gè)典型嵌入式系統(tǒng)的框圖。一個(gè)微控制器和一個(gè)微處理器位于系統(tǒng)的核心。按照具體應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)需要?jiǎng)h減接口和外設(shè)。如果控制器的內(nèi)置存儲(chǔ)器不足，就需要使用閃存、SRAM、DRAM等外置存儲(chǔ)器。通常而言，閃存用于存儲(chǔ)控制器執(zhí)行的代碼，而SRAM用于存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)臨時(shí)變量和保存重要的應(yīng)用數(shù)據(jù)塊。

圖1：一個(gè)典型嵌入式系統(tǒng)的框圖

功耗預(yù)算和性能一直是選擇系統(tǒng)組件－無(wú)論是控制器還是外設(shè)－的兩大標(biāo)準(zhǔn)。如果性能是最為重要的標(biāo)準(zhǔn)，則設(shè)計(jì)人員傾向于選擇速度最快的組件，從而彌補(bǔ)較高的功耗預(yù)算。同樣，如果功耗是最重要的標(biāo)準(zhǔn)（例如，對(duì)于電池供電型系統(tǒng)而言），則設(shè)計(jì)人員傾向于選擇功耗最低的組件。因此，嵌入式系統(tǒng)通常分為三類：

1.永遠(yuǎn)“處于開機(jī)狀態(tài)”的系統(tǒng)：此類系統(tǒng)可保證它們能夠從一個(gè)不間斷電源獲得電能。這些系統(tǒng)是高性能系統(tǒng)，可以最高的運(yùn)行頻率工作。

2.電池供電型系統(tǒng)：一塊板載電池是此類系統(tǒng)的唯一電源（如手機(jī)）。雖然性能是此類系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，但更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間最為重要。因此，這些系統(tǒng)使用功耗最低的組件。

3.電池支持性系統(tǒng)：此類系統(tǒng)必需能夠可靠地運(yùn)行，即使在失去板載電源的情況下也是如此。為了在斷電時(shí)避免丟失重要數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)提供一塊小電池（通常是一顆240mAh的紐扣電池），以便為SRAM保留等功能提供備用電源，并維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。

正常運(yùn)行時(shí)，電池支持型系統(tǒng)使用可用電源工作。根據(jù)存儲(chǔ)器映射，它可以從閃存提取代碼，然后將結(jié)果存儲(chǔ)到SRAM中。即使是在斷電時(shí)，存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)變得也很重要。為了解決這個(gè)問題，SRAM被連接到一塊備用板載電池。正常運(yùn)行時(shí)，板載電源負(fù)責(zé)為系統(tǒng)供電；斷電時(shí)，一塊監(jiān)控芯片將把SRAM的電源切換到板載電池，并將SRAM置于待機(jī)模式。圖2顯示了電池支持型系統(tǒng)中SRAM的典型功耗。正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控芯片使用板載電源。斷電時(shí)，SRAM被監(jiān)控芯片切換到板載電池，并被禁用。只要電池有電，系統(tǒng)可以一直處于這一模式。一旦板載電源恢復(fù)，監(jiān)控芯片將逐漸使用板載電源為SRAM供電。通常而言，此類芯片需要1ms－10ms完成這個(gè)過渡。這段時(shí)間系統(tǒng)不會(huì)受到影響，這是因?yàn)榭刂破饕残枰瑯娱L(zhǎng)的時(shí)間完成其上電復(fù)位程序。

圖2：電池支持型系統(tǒng)的功耗模式

當(dāng)此類系統(tǒng)部署到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，維修它們會(huì)很不方便。事實(shí)上，這些系統(tǒng)兩三年內(nèi)不用維修。因此，電池續(xù)航時(shí)間變得非常重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于選用那些在待機(jī)模式下消耗電流最少的SRAM。如果觀察一下市場(chǎng)上出售的SRAM（見表1），你會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員在選擇SRAM時(shí)沒有太多選擇。對(duì)更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間的需求讓他們幾乎不可能選擇一個(gè)高速SRAM。搭載一顆240mAH紐扣電池的一個(gè)16Mb高速SRAM僅能提供12小時(shí)的續(xù)航時(shí)間，而一個(gè)低功耗SRAM卻能提供長(zhǎng)達(dá)三年的電池續(xù)航時(shí)間。

表1：SRAM16Mb SRAM產(chǎn)品組合

所有系統(tǒng)的性能都遵從阿姆達(dá)爾定律。簡(jiǎn)而言之，阿姆達(dá)爾定律規(guī)定：一個(gè)系統(tǒng)的速度是其最慢組件的速度。過去幾十年，微控制器廠商推出了能夠以高于150 MHz的速度運(yùn)行的控制器。很多此類控制器內(nèi)置低功耗和/或深度睡眠模式，當(dāng)系統(tǒng)需要由電池供電時(shí)，它們能夠?qū)崿F(xiàn)較快的運(yùn)行速度和較低的功耗。

但是，如果外設(shè)組件不能匹配其速度，一個(gè)較快的控制器將無(wú)法提升性能。外置內(nèi)存接口是一個(gè)重要的高速鏈路，而一個(gè)低性能的閃存或SRAM可能會(huì)成為瓶頸。閃存的初始訪問時(shí)間為60－80ns。但隨著Page、Burst、eXecute In Place （XIP）等各類模式的出現(xiàn)，閃存芯片的讀速度提高了三倍，從而讓控制器能夠在20-30 ns 內(nèi)（即150 MHz控制器的2到3個(gè)時(shí)鐘周期）從閃存讀取數(shù)據(jù)。但是，選擇低功耗SRAM意味著控制器仍然需要45 －70ns的時(shí)間來(lái)訪問SRAM（4到10個(gè)時(shí)鐘周期）。

為了了解這種性能選擇的效應(yīng)，我們可以設(shè)想有一個(gè)系統(tǒng)，它在1ms內(nèi)循環(huán)執(zhí)行一段代碼，其中微控制執(zhí)行代碼的時(shí)間占70%，將結(jié)果（關(guān)鍵變量）存儲(chǔ)到SRAM中的時(shí)間占剩余的30%。使用一個(gè)較快的處理器應(yīng)能確保大幅縮短這一執(zhí)行時(shí)間。憑借其改良運(yùn)行模式，閃存能夠匹配這個(gè)速度，并將代碼執(zhí)行時(shí)間縮短三分之二（從700到230us）。但是，選擇一個(gè)低功耗SRAM，意味著SRAM存取速度沒有提升。理想的情況是，這個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)縮短300%（從1ms到330us），但由于使用了低功耗SRAM，執(zhí)行時(shí)間僅縮短了200%（從1ms到550us）。

對(duì)速度的需求

你開車時(shí)車速越快，油耗就越高。這個(gè)簡(jiǎn)單的原則同樣適用于嵌入式系統(tǒng)，此時(shí)SRAM是車，電池續(xù)航時(shí)間則是里程數(shù)。在上述場(chǎng)景中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既可以選擇一個(gè)高速SRAM（存取時(shí)間為10ns）來(lái)提升系統(tǒng)性能，但犧牲電池續(xù)航時(shí)間，也可以選擇一個(gè)低功耗SRAM，但犧牲系統(tǒng)性能。

存儲(chǔ)器廠商發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)需要兼具快速和低功耗的SRAM。除了常見的運(yùn)行模式―工作和待機(jī)―之外，這些SRAM還有一個(gè)名為“深度睡眠”的低功耗模式。深度睡眠模式由一個(gè)輸入信號(hào)控制，該信號(hào)可在斷言后將設(shè)備置于深度睡眠模式。例如，與低功耗SRAM的45－55ns的存取速度相比，賽普拉斯的PowerSnooze（電力打盹）SRAM提供10ns的存取速度。在功耗方面，其深度睡眠電流在10－20uA范圍內(nèi)，而一個(gè)16M高速SRAM的待機(jī)電流則高達(dá) 30 － 40mA。表2對(duì)比了三類SRAM的速度、電流消耗等關(guān)鍵參數(shù)。

表2：三種類型的SRAM對(duì)比

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以通過一個(gè)GPIO 控制深度睡眠模式的進(jìn)入，或者使用監(jiān)控芯片自動(dòng)控制模式切換。對(duì)于GPIO控制，軟件可以通過分析SRAM存取利用其深度睡眠模式。

電池支持型低功耗SRAM

對(duì)于電池支持型存儲(chǔ)器額外電路的需求源于以下事實(shí)：斷電時(shí)，控制器將喪失其I/O驅(qū)動(dòng)功能。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線路上出現(xiàn)中間邏輯電平，后者將通過板載電容和泄漏逐漸向低電壓處放電。失去控制意味著即使SRAM開始由電池供電，芯片啟用信號(hào) （ˉCE）將變?yōu)檫壿嫷蜖顟B(tài)，從而啟用SRAM。為了避免這個(gè)問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用一塊監(jiān)控芯片監(jiān)測(cè)板載電源，并控制SRAM芯片啟用信號(hào)。

圖3詳細(xì)描述了SRAM、處理器接口和監(jiān)控芯片。所有地址和數(shù)據(jù)線以及控制信號(hào)均由處理器驅(qū)動(dòng)。SRAM的主用低電平芯片啟用信號(hào)由監(jiān)控芯片驅(qū)動(dòng)，后者由來(lái)自控制器的芯片啟用信號(hào)驅(qū)動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)（即板載電源可用時(shí)），監(jiān)控芯片對(duì)于控制器和SRAM完全透明，但在斷電時(shí)，監(jiān)控芯片將接管對(duì)去往SRAM的芯片啟用信號(hào)的控制，將其變?yōu)檫壿嫺郀顟B(tài)，同時(shí)忽略控制器的芯片啟用信號(hào)。這個(gè)監(jiān)控芯片將板載電源無(wú)縫切換至電池，并禁用SRAM，從而避免數(shù)據(jù)丟失。第二個(gè)芯片啟用信號(hào)是高電平有效信號(hào)，由控制器通過一個(gè)弱下拉直接驅(qū)動(dòng)。這個(gè)弱下拉可確保斷電時(shí)第二個(gè)芯片啟用信號(hào)被下拉到邏輯低狀態(tài)，并禁用SRAM。

圖3：電池支持型低功耗SRAM

對(duì)于那些在斷電時(shí)使用備用電池的應(yīng)用，高速、低功耗SRAM較低的深度睡眠電流使其成為這些應(yīng)用的理想選擇。正常運(yùn)行時(shí)，SRAM可以高速運(yùn)行，而斷電時(shí)，SRAM可以通過將深度睡眠信號(hào)斷言到邏輯低狀態(tài)而自動(dòng)切換到深度睡眠模式。圖4顯示了在不改變一個(gè)低功耗SRAM的現(xiàn)有設(shè)計(jì)的情況下，如何使用一個(gè)帶深度睡眠模式的SRAM。

斷電時(shí)，監(jiān)控芯片禁用SRAM，而深度睡眠引腳上的下拉將自動(dòng)把信號(hào)下拉到邏輯低狀態(tài)，從而允許該部分進(jìn)入深度睡眠模式。監(jiān)控芯片確保板載電源不可用時(shí)SRAM一直處于禁用狀態(tài)。電源恢復(fù)后，監(jiān)控芯片將繼續(xù)保持SRAM的禁用狀態(tài)，直到其上電復(fù)位超時(shí)。這個(gè)超時(shí)時(shí)段從1到100ms不等，具體取決于所選擇的監(jiān)控芯片。超時(shí)時(shí)段允許控制器成功啟動(dòng)，之后它可以控制深度睡眠信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嫺郀顟B(tài)。這能夠管理高速、低功耗SRAM的深度睡眠退出時(shí)序，同時(shí)使之用于控制器訪問。

圖4：帶有高速、低功耗SRAM的備用電池

高速、低功耗SRAM可提供相當(dāng)于傳統(tǒng)低功耗SRAM的電池備用時(shí)間，同時(shí)通過提高SRAM的訪問速度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的性能提升要求。

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