使用高速SRAM设计电池支持型存储器

　　嵌入式系统的性能取决于其软硬件能力。一个编写合理的软件可以利用硬件的所有能力发挥后者的最大性能。与此类似，无论软件设计多么合理，低效的硬件都可能影响系统性能。

　　数十年来，传统嵌入式系统的结构一直没有改变。图1显示了一个典型嵌入式系统的框图。一个微控制器和一个微处理器位于系统的核心。按照具体应用，系统设计人员可根据需要删减接口和外设。如果控制器的内置存储器不足，就需要使用闪存、SRAM、DRAM等外置存储器。通常而言，闪存用于存储控制器执行的代码，而SRAM用于存储运行时临时变量和保存重要的应用数据块。

　　图1：一个典型嵌入式系统的框图

　　功耗预算和性能一直是选择系统组件-无论是控制器还是外设-的两大标准。如果性能是最为重要的标准，则设计人员倾向于选择速度最快的组件，从而弥补较高的功耗预算。同样，如果功耗是最重要的标准(例如，对于电池供电型系统而言)，则设计人员倾向于选择功耗最低的组件。因此，嵌入式系统通常分为三类：

　　1. 永远“处于开机状态”的系统：此类系统可保证它们能够从一个不间断电源获得电能。这些系统是高性能系统，可以最高的运行频率工作。

　　2. 电池供电型系统：一块板载电池是此类系统的唯一电源(如手机)。虽然性能是此类系统的一个重要标准，但更长的电池续航时间最为重要。因此，这些系统使用功耗最低的组件。

　　3. 电池支持性系统：此类系统必需能够可靠地运行，即使在失去板载电源的情况下也是如此。为了在断电时避免丢失重要数据，系统设计人员会提供一块小电池(通常是一颗240mAh的纽扣电池)，以便为SRAM保留等功能提供备用电源，并维持实时时钟(RTC)。

　　正常运行时，电池支持型系统使用可用电源工作。根据存储器映射，它可以从闪存提取代码，然后将结果存储到SRAM中。即使是在断电时，存储这些数据变得也很重要。为了解决这个问题，SRAM被连接到一块备用板载电池。正常运行时，板载电源负责为系统供电;断电时，一块监控芯片将把SRAM的电源切换到板载电池，并将SRAM置于待机模式。如需了解电池支持型系统的实现技术的详细信息，请参阅“电池支持型SRAM设计建议”。

　　图2显示了电池支持型系统中SRAM的典型功耗。正常运行时，监控芯片使用板载电源。断电时，SRAM被监控芯片切换到板载电池，并被禁用。只要电池有电，系统可以一直处于这一模式。一旦板载电源恢复，监控芯片将逐渐使用板载电源为SRAM供电。通常而言，此类芯片需要1ms-10ms完成这个过渡。这段时间系统不会受到影响，这是因为控制器也需要同样长的时间完成其上电复位程序。

　　图2：电池支持型系统的功耗模式

　　当此类系统部署到现场时，维修它们会很不方便。事实上，这些系统两三年内不用维修。因此，电池续航时间变得非常重要。系统设计人员倾向于选用那些在待机模式下消耗电流最少的SRAM。如果观察一下市场上出售的SRAM(见表1)，你会发现设计人员在选择SRAM时没有太多选择。对更长的电池续航时间的需求让他们几乎不可能选择一个高速SRAM。搭载一颗240mAH纽扣电池的一个16Mb高速SRAM仅能提供12小时的续航时间，而一个低功耗SRAM却能提供长达三年的电池续航时间。

　　表1： SRAM 16Mb SRAM产品组合

　　所有系统的性能都遵从阿姆达尔定律。简而言之，阿姆达尔定律规定：一个系统的速度是其最慢组件的速度。过去几十年，微控制器厂商推出了能够以高于150 MHz的速度运行的控制器。很多此类控制器内置低功耗和/或深度睡眠模式，当系统需要由电池供电时，它们能够实现较快的运行速度和较低的功耗。

　　但是，如果外设组件不能匹配其速度，一个较快的控制器将无法提升性能。外置内存接口是一个重要的高速链路，而一个低性能的闪存或SRAM可能会成为瓶颈。闪存的初始访问时间为60-80ns。但随着Page、Burst、eXecute In Place (XIP)等各类模式的出现，闪存芯片的读速度提高了三倍，从而让控制器能够在20-30 ns 内(即150 MHz控制器的2到3个时钟周期)从闪存读取数据。但是，选择低功耗SRAM意味着控制器仍然需要45 -70ns的时间来访问SRAM(4到10个时钟周期)。

　　为了了解这种性能选择的效应，我们可以设想有一个系统，它在1ms内循环执行一段代码，其中微控制执行代码的时间占70%，将结果(关键变量)存储到SRAM中的时间占剩余的30%。使用一个较快的处理器应能确保大幅缩短这一执行时间。凭借其改良运行模式，闪存能够匹配这个速度，并将代码执行时间缩短三分之二(从700到230us)。但是，选择一个低功耗SRAM，意味着SRAM存取速度没有提升。理想的情况是，这个系统的执行时间应缩短300%(从1ms到330us)，但由于使用了低功耗SRAM，执行时间仅缩短了200%(从1ms到550us)。