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用铁电存储器FRAM让穿戴式设备更省电

原创 嵌入式/内核开发 作者:宇芯电子 时间:2021-02-24 17:19:05 0 删除 编辑

可穿戴设备应用中的显示屏消耗了大部分电池电力。解决方法之一是直接提高电池容量,但是大容量电池会加大尺寸和重量,对可穿戴设备不合适,尤其是在市场不断追求更小型化的新款产品时更是如此。更具挑战性的是电池技术的发展跟不上日益增长的系统需求……
 
在可穿戴设备中电池使用寿命对于良好的用户体验至关重要。可穿戴设备应用中的显示屏消耗了大部分电池电力。解决方法之一是直接提高电池容量,但是大容量电池会加大尺寸和重量,对可穿戴设备不合适,尤其是在市场不断追求更小型化的新款产品时更是如此。更具挑战性的是,电池技术的发展跟不上日益增长的系统需求。因此最大限度降低显示屏功耗成为可穿戴设备市场的关键设计因素。
 
由于可使用多种功耗模式并结合不同的唤醒次数,因此开发人员可根据应用需求降低总功耗水平。当显示器处于使用状态时,存储器将根据何时被访问以进行突发读取,而交替处于工作模式和待机模式。当显示器需要短时间暂停使用时,可使用深度待机模式。当显示器将在较长时间内停止使用时,可使用休眠模式。
 

 

图1:基于赛普拉斯PSoC6+ExcelonFRAM的显示器解决方案(来源:赛普拉斯)

 
图1所示的是使用串行FRAM的典型实现方案。CPU负责将初始显示数据写入到帧缓存。写入后LCD控制器将来自FRAM帧缓存器的数据周期性刷新至LCD显示器。在设计时采用 ,能为可穿戴设备显示器提供每秒>30帧(fps)的刷新率。采用QSPIFRAM在各种分辨率的显示器上提供的典型fps如下表所示。
 


除了用作显示缓存,非易失性FRAM还能用作预渲染图像存储器,从而释放闪存空间。这样还能为帧缓存节省初始设置时间。过去的做法是在加电或从低功耗模式唤醒时,从闪存将数据和/或显示模板复制到帧缓存。使用非易失性存储器可以释放系统,从而加快启动时间。图2所示的是显示应用中微控制器的典型功耗特征。最大功耗发生在渲染和传输需要显示的图像期间。使用预渲染图像可缩短微控制器的工作时间,减少这一额外功耗。
 

 

图2:微控制器功耗特征(来源:赛普拉斯)

 
低功耗设计
显示应用通常采用320×240分辨率和每像素16位的显示器。这种显示器需要150KB容量的显示缓存。一片4Mbit的串行FRAM能保存三帧这样大小的图像。一般情况下可穿戴设备的显示器尺寸和分辨率更小,需要的显示缓存也更小。在用作显示缓存时,串行FRAM工作在存储器映射模式下,以便CPU和访问其他内部存储器一样访问串行FRAM。在本例中显示控制器使用PSoC6中的通用数字模块(UDB)、串行存储器接口模块(SMIF)和直接存储器访问(DMA)来实现,以实现低功耗刷新操作(参见图4)。显示控制器(UDB)将生成用于显示的控制信号,包括HSync、VSync、DataEnable(DE)和DotClock。由于UDB只有一个四字节FIFO,因此将内部SRAM用作行缓存。与帧缓存相比,行缓存很小,不需要大容量内部
 

 

图3:采用串行存储器的集成LCD控制器架构(来源:赛普拉斯)

 
显示控制器刷新率的表达方式是每秒帧数(fps)。Vsync脉冲表示每帧的开始。在每一帧中都有多条行与水平显示行相对应。Hsync脉冲表示每行的开始。每个Hsync脉冲内的数据用点时钟(DotClock)计时,如图4所示。

 

图4:显示器刷新周期(来源:赛普拉斯)

 
在每个水平同步脉冲前,通过触发DMA,从外部FRAM向SRAM复制行缓存。由于DMA无需CPU干预,因此CPU可以保持休眠模式以节省电力。在每个点时钟上,由行缓存(SRAM)至显示控制器(UDBFIFO)初始化DMA。显示控制器将向显示总线输出数据和正确的控制信号。两个帧刷新周期间的时间被称为空白期(具体为垂直空白),可用来更新FRAM帧缓存。
 
总功耗与CPU+帧缓存+显示模块消耗的功耗呈函数关系。如果CPU和显示模块使用串行或并行存储器产生的功耗保持不变,则因串行FRAM和并行SRAM电流消耗不同而观察到的功耗差异显示如下。
 

 

使用IS61/64WV25616EFALL进行比较

 
与传统的显示缓存相比,FRAM不仅功耗更低,而且引脚数更少、封装更小。可将FRAM用作通用帧缓存,并与带有内置显示控制器的控制器搭配使用。除了最大限度地降低功耗以外, 也能用于可穿戴设备的非易失性存储从而提高效率。
 
可穿戴设备市场正呈现爆发性增长态势,富于想象力的设计人员正在创造外型更小巧的产品。电池使用寿命长、功耗水平低是打动消费者购买的关键制胜因素。为了实现这一目标主要策略是最大限度降低显示屏的功耗水平。使用FRAM取代传统的SRAM显示缓存是一种理想方法。

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