Gewusst wie: Reduzierung des Stromverbrauchs in eingebetteten Systemen mithilfe von Deep-Sleep-fähigem SRAM

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Das beliebte französische DJ-Duo Daft Punk gehört zu meinen absoluten Lieblingsbands. Das liegt nicht zuletzt an ihrer faszinierenden Bühnenshow: Die beiden haben sich wahrhaft originelle Alter Egos zugelegt und treten bei jedem Konzert in Roboterkostümen auf. 2013 veröffentlichte das Duo ein Album mit dem Titel „Random Access Memories“ (ja genau: RAM) und verlieh der Roboterthematik damit noch einmal wohlklingenden Nachdruck. Eines ging aus dem Titel jedoch nicht klar hervor: Welche Art von RAM gemeint war. Es ist längst kein Geheimnis mehr, dass es eine wichtige Rolle spielt, welche Art von Speichern in eingebetteten Systemen verwendet wird. SRAM-Speicher weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber Flash- und vor allem DRAM-Speichern auf – insbesondere in Sachen Stromverbrauch. Heute gibt es viele verschiedene Arten von SRAM, die Sie im Rahmen Ihrer eingebetteten Anwendung nutzen können. Dabei bieten Ihnen SRAM-Speicher mit Tiefschlaf-Funktion bei korrekter Anwendung ein Maximum an Geschwindigkeit und Energieeinsparung.

SRAM in eingebetteten Systemen

Es ist nicht immer leicht, eine Lieblingsband oder einen Lieblingsmusiker zu benennen. Immerhin gibt es Hunderttausende Künstler in einer schier unendlichen Vielfalt an Genres. Wenn es jedoch darum geht, sich für eine Speicherlösung für ein eingebettetes System zu entscheiden, ist die Auswahl bedeutend überschaubarer. In diesem Artikel bieten wir Ihnen einen kurzen Überblick über die Unterschiede zwischen SRAM-, Flash- und DRAM-Spreicher und verraten Ihnen, wie Sie SRAM-Lösungen am besten einsetzen.

Es fehlt keineswegs an Speichermedien für eingebettete Systeme – neuerdings haben sich zu den bereits bekannten Lösungen neue Kandidaten gesellt, darunter etwa CBRAM und Spinwellen-Bausteine. Zu den traditionelleren Speichermedien gehören etwa Flash-, SRAM- und DRAM-Speicher. Diese Lösungen haben jeweils ihre eigenen Aufgaben innerhalb eines Systems. Interessanterweise wirken sich die physische Position dieser Speicherlösungen und die Art und Weise, wie auf sie zugegriffen wird, auf ihren Stromverbrauch aus. Die Funktionsweise der jeweiligen Speicherarchitektur spielt dabei ebenfalls eine Rolle. DRAM muss regelmäßig aufgefrischt werden, um Datenverluste zu vermeiden. Dieser Speichertyp benötigt deshalb mehr Energie als die zwei anderen Optionen. Flash-Speicher werden oftmals zum Speichern von Code verwendet, während SRAM als Cache und DRAM als allgemeines Speichermedium eingesetzt wird.

Der Mikrocontroller in Ihrem System sorgt für die blitzschnelle Datenverarbeitung, benötigt dafür aber eine passende Speicherlösung, die mit dieser Geschwindigkeit mithalten kann. Aus diesem Grund wird SRAM bevorzugt als Cache eingesetzt. Flash und DRAM können den Mikrocontroller aufgrund ihrer langen Schreibzeiten ausbremsen. Ein weiterer Grund, weshalb SRAMs vorwiegend als Cache dienen, ist ihre geringe Datenkapazität. DRAM wird hingegen für Operationen eingesetzt, die einen größeren Umfang an temporärem Speicher benötigen.

^{SRAM und DRAM sind als wesentliche Bestandteile eingebetteter Systeme nicht mehr wegzudenken.}

Die verschiedenen SRAM-Typen

Die Musik von Daft Punk ist insgesamt für mich nicht zu übertreffen – dennoch habe ich in jedem Genre einen Lieblingskünstler. Genauso wichtig ist es, sich nicht einfach nur für SRAM zu entscheiden, sondern sich auch zu überlegen, welche Art von SRAM am besten geeignet ist. Allgemein gilt: SRAM-Lösungen mit Tiefschlaf-Funktion bieten Ihnen die Geschwindigkeit, die Sie sich schon immer gewünscht haben, und ermöglichen es Ihnen außerdem, Energie zu sparen.

Vor dem Siegeszug der tragbaren elektronischen Geräte ging es bei SRAM vor allem um eines: Geschwindigkeit. Seit wir damit begonnen haben, Supercomputer mit stromhungrigen Prozessoren mit uns herumzutragen, konnten sich stromsparende SRAMs eine Nische schaffen. Die schnelleren SRAMs weisen Zugriffszeiten von10 ns auf, während die stromsparenden Varianten auf 45 ns kommen. Die Low-Power-Versionen kommen natürlich mit weniger Stromverbrauch aus. Sie begnügen sich mit 36 mA anstatt 110 mA und der Stromverbrauch im Standby-Zustand beträgt 16 µA anstelle von 30 mA bei den schnelleren Varianten. Offensichtlich wurden beide Varianten für unterschiedliche Zwecke entwickelt und liefern in den Bereichen, für die sie vorgesehen sind, durchaus großartige Ergebnisse. Dennoch erfüllen sie nicht unseren eigentlichen Wunsch nach maximaler Geschwindigkeit bei möglichst geringem Stromverbrauch.

SRAMs mit Tiefschlaf-Funktionalität kombinieren das Beste beider Welten. Mit ihrer Zugriffszeit von 10 ns sind diese Speicher unschlagbar schnell, und im „Deep-Sleep“-Modus nehmen sie fast den Standby-Strom von 22 µA auf. Auch wenn sie sich nicht im Tiefschlaf-Modus befinden, beträgt die Standby-Stromaufnahme nur 30 mA, und im normalem Betrieb nehmen sie ebenfalls nur 110 mA auf. Richtig eingesetzt, bieten Tiefschlaf-SRAMs Ihnen so nicht nur die gewünschte Leistungsfähigkeit, sondern sparen auch fast so viel Energie wie eine Low-Power-Version.

^{Deep-Sleep-fähige SRAMs helfen Ihnen Energie zu sparen.}

Wann Sie Tiefschlaf-SRAMs einsetzen sollten

Musik klingt am besten, wenn man den richtigen Titel zur richtigen Zeit hört. Denn seien wir ehrlich: Beethovens Mondscheinsonate versetzt wohl kaum jemanden in Feierlaune. Ähnlich verhält es sich auch mit Tiefschlaf-SRAMs. In einigen Fällen sind sie sinnvoll, in anderen Fällen nicht.

Es gibt besonders einen Anwendungsfall, in dem die Verwendung eines Tiefschlaf-SRAM kaum etwas bringt, nämlich wenn zwischen den aktiven Nutzungszeiten des SRAM nicht genug Zeit verstreicht, um das System in den Tiefschlaf-Modus zu schalten. Angenommen, Ihr SRAM benötigt 300 µs, um in den Tiefschlaf-Modus zu wechseln, doch Ihr System greift alle 250 µs darauf zu. In diesem Fall kann Ihr SRAM nie in den Tiefschlaf-Modus wechseln und erfüllt im Prinzip die Funktion eines herkömmlichen SRAM. Mit anderen Worten haben Sie in diesem Fall unnötiges Geld investiert. Bevor Sie also Tiefschlaf-SRAM in Ihr System integrieren, sollten Sie sicherstellen, dass Ihr System überhaupt von dieser Funktion profitieren kann.

Vielleicht haben Sie Bedenken, dass sich Tiefschlaf-SRAM schwierig in Ihr System integrieren lässt. Sie fragen sich, ob Sie Änderungen an Ihren bestehenden Verbindungen und Ihrer eventuell vorhandenen Stützbatterie vornehmen müssen. Aber keine Angst: Das müssen Sie eigentlich nicht. SRAMs mit Tiefschlaf-Funktionalität verfügen im Vergleich zu herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-SRAMs nur über einen einzigen zusätzlichen Pin– und für den finden Sie doch bestimmt Platz, oder?

Vielleicht teilen wir nicht unbedingt denselben Musikgeschmack, aber ich hoffe zumindest, dass wir uns einig sind, was Tiefschlaf-SRAMs angeht. Wahrscheinlich nutzen Sie SRAMs bereits als Cache für Ihren Mikrocontroller, denn hier SRAMs den Flash- oder DRAM-Speichern in Sachen Zugriffszeit doch voraus. Sicherlich freuen Sie sich auch, dass SRAMs energieeffizienter sind als DRAMs. Darüber hinaus aber können Ihnen Hochgeschwindigkeits-SRAMs mit Tiefschlaf-Funktionalität sowohl Geschwindigkeit als auch weniger Energieverbrauch bieten. Sie müssen sich nur vergewissern, dass Ihr System tatsächlich von dieser Tiefschlaf-Funktion profitieren kann.

Ganz egal, welche Variante Sie bevorzugen: Mit einer guten PCB-Designsoftware lässt sich jede Art von Speichersystem integrieren. CircuitStudio hat eine Reihe toller Funktionen entwickelt, mit denen Sie jede beliebige Speicherlösung in Ihre Designs integrieren können.

Sie haben noch mehr Fragen zu SRAM? Dann rufen Sie einen der Experten bei Altium an.