并行SRAM显示缓存实现方案

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。
 
人类的视觉感知非常精确，推动了制造商在可穿戴设备中使用更高分辨率的显示屏。虽然有多种节能方案可供使用，但任何视觉质量下降都会直接影响设备的整体体验。因此在为显示屏考虑节能方案时必须谨慎小心。要想提高显示器分辨率就需要提高存储器带宽，因此为了延长电池使用寿命，降低存储器在待机模式和工作模式下的功耗变得更有实际意义。

显示系统架构
 
显示屏由像素阵列构成。每个像素的驱动值决定显示的颜色。基于ram的帧缓存保存了显示屏上每个像素的颜色信息。大部分常用的并行显示屏需要周期刷新，从帧缓存读取数据，然后在屏上显示。如果显示屏的分辨率和色彩深度不高，控制器的内部RAM也可以用作帧缓存。
 
随着显示屏尺寸增大，分辨率和色彩深度提高，内部SRAM将无法提供足够的容量或性能。为了避免画面撕裂，也有必要采用双缓存。在这些系统中通常在外部存储器中实现帧缓存。在刷新周期中，从外部帧缓存读取数据，并连同控制信号输出给显示控制器数据总线。图1所示的是采用外部帧缓存的典型显示框图。

图1：并行SRAM显示缓存实现方案（来源：赛普拉斯）

有多种方法能够降低显示器功耗。
 
将显示控制器集成到主微控制器内部。市场上常见的显示器模块都有内置控制器。完成上述集成后，有助于充分利用主微控制器的低功耗特性。
 
使用低功耗存储器作为帧缓存。因为帧缓存始终处于开启状态，所以应采用待机电流低的存储器。
 
减少对帧缓存的频繁更新。使用容量足够大的存储器并加载多个帧可降低CPU工作电流。如果将最经常访问的帧加载到存储器中，就无需从帧缓存加载和卸载数据。将帧缓存切换到不同的存储器地址就能切换显示器上显示的图像。
 
我们一直将并行异步SRAM用作外部显示缓存，因为控制器和显示器能够轻松地为他们提供支持。然而这种类型的存储器封装尺寸大、引脚数量多。而串行存储器引脚数量少、封装尺寸小，可以减少所需的控制器引脚数，节省PCB成本。在以Quad SPI模式工作在108MHz下时，串行存储器的性能可与并行异步SRAM存储器媲美。例如赛普拉斯Excelon F-RAM就是一款最大密度高达8Mbit，并采用低引脚数小型GQFN封装的串行非易失性存储器。为了优化功耗可支持四种功耗模式。在典型的Quad SPI模式下以108MHz运行时，工作电流为16mA。当存储器不工作时，待机模式耗电102µA。深度待机模式可进一步将耗电降至0.8µA，休眠模式下只需要0.1µA的最低耗电。