引言

今天的便攜式設備通過持續(xù)的活動監(jiān)測和情境感知來了解周圍環(huán)境。為了實現(xiàn)這個功能，設備集成了越來越多的傳感器和外設，由此產生大量數據。這反過來使得集成更強大的CPU變得很有必要，以便執(zhí)行越來越多的計算。同時，必須縮小設計尺寸，降低成本和功耗，但又不犧牲最終產品不斷提升的功能要求。

傳感器中樞(Sensor hub)的概念被越來越多地采用到當今的SoC設計中，以滿足“始終運行”的傳感器/外設訪問和控制(甚至以高速率)的要求，而且不會增加功耗和設計成本。傳感器中樞可以是小型CPU內核，與傳感器/外設連接，并通過執(zhí)行后臺操作并僅在需要時“喚醒”主處理器，充當功耗較大的主處理器的卸載引擎的角色。

用于傳感器采集的基于處理器的典型架構

應用在集成多個傳感器的系統(tǒng)中的典型基于微控制器的架構包括以下組件[1]：

a) 一個微控制器單元(MCU) - 也稱為處理子系統(tǒng)，MCU控制系統(tǒng)內所有構成部分的運行并處理數據。它包括一個處理器、一個內部或外部存儲器、以及本地數據處理所需的所有外設和子系統(tǒng)。在典型的基于MCU的架構中，控制器執(zhí)行所有傳感器數據收集、處理和存儲。

b) 傳感器元件(或傳感子系統(tǒng)) - 一組傳感器，可以是無源或有源，數字或模擬的任意組合。這些傳感器將來自外部環(huán)境的輸入信息轉換成電信號。在大多數應用中，傳感器用于監(jiān)測運動、光、氣壓、振動、流速、溫度、通風、電等。通常來說，傳感器元件在其輸出端生成電壓或電流信號。在數據被處理、存儲和傳輸之前，這些信號一般會被放大，并通過模數轉換器轉換成數字信號。

c) 無線電 - 一種短距離收發(fā)器，提供與主機的無線通信。

d) 電源子系統(tǒng) - 通常連接到電池或能量采集器。該子系統(tǒng)充當可控單元，可單獨打開和關閉系統(tǒng)構建塊的電源。它通常是MCU軟件中的一個軟件塊。電源子系統(tǒng)負責為每個單獨的硬件組件提供合適的電源電壓。

在具有多個傳感器的更復雜的基于微控制器的架構中，在硬件中集成了智能，用來控制各種子系統(tǒng)。 例如，從傳感器到存儲器傳輸數據耗時又耗電，這一部分工作其實可以從處理器轉移到直接內存存取(DMA)單元。電源管理單元(PMU)還可以被編程為對特定事件做出反應并關閉各種子系統(tǒng)，例如外設、傳感器和無線電。

圖1. 基于微控制器的典型架構

這種先進架構的目的是盡可能減少主MCU活躍的時間。原來需要MCU干預的任務，現(xiàn)在可以由智能子系統(tǒng)執(zhí)行。然而，還存在一個問題，就是每次有來自傳感器、無線電或各種子系統(tǒng)的事件時，MCU都需要被喚醒，因為它是唯一可以部署邏輯來處理這些事件的元件。

優(yōu)化功率的技術 - 添加傳感器節(jié)點控制器

為了延長具有多個傳感器的系統(tǒng)的續(xù)航時間，已經提出了很多種降低功耗的技術[2]，[3]。有些技術在媒體訪問控制層面進行節(jié)能[4]，[5]，有些技術從數據聚合或融合著手[6]，[7]，有的則采用芯片設計優(yōu)化技術，如片上功率門控[ 8]或動態(tài)電壓調節(jié)[9]。

本文介紹了一種不同的技術，來優(yōu)化多傳感器系統(tǒng)中的電源使用，同時將主處理器用于數據采集的喚醒時間控制到最短。該技術基于集成復雜的硬件狀態(tài)機，可以接管主處理器上的重復性任務，如傳感器輪詢和讀取，從而實現(xiàn)集成的低功耗傳感器中樞概念。專用硬件狀態(tài)機可以更快地喚醒，并使用更少的模塊來將數據從傳感器/外設傳輸到內存，以及反向傳輸，而主處理器保持休眠狀態(tài)。此外，傳感器中樞可以對數據執(zhí)行簡單操作，因此主處理器只需要在要求復雜數據操作時喚醒。

這種方法的一個很好的例子，是集成在Dialog半導體公司的DA1469x藍牙低功耗SoC解決方案中的傳感器節(jié)點控制器(SNC)硬件模塊[10]。SNC是一種微型硬件狀態(tài)機，能運行由有限的指令集組成的微碼(μcode)，有助于開發(fā)人員操控通信控制器(即SPI、I2C等)、傳感器和外設。它可以通過使用其最小指令集自動運行，無需喚醒系統(tǒng)的其余部分。這允許它執(zhí)行眾多操作 - 例如：輪詢傳感器狀態(tài)位、比較寄存器與內存地址內容(值)、將數據從通信接口傳輸到系統(tǒng)RAM以及比較分支 - 同時消耗最低電流。

圖2. 具有傳感器節(jié)點控制器外設的應用處理器架構

SNC的主要特性如下(圖3)：

傳感器節(jié)點指令集(SeNIS)，包含10條微碼生成指令，適用于：

輕松創(chuàng)建指向內存緩沖區(qū)的指針

輪詢串行接口狀態(tài)位

比較閾值

系統(tǒng)RAM用于微碼存儲和數據

DMA功能，用于將數據直接從通信接口傳輸到系統(tǒng)RAM

直接訪問所有外設和寄存器

通過PMU在中斷觸發(fā)和域上電(例如定時器、GPIO)后立即執(zhí)行

SNC到主處理器通知，以及反向通知

SNC與所有通信接口(SPI、I2C和UART)位于相同的電源域，SNC還可以控制其他電源域。它執(zhí)行駐留在系統(tǒng)RAM中的微碼，其中SNC具有直接內存連接;以系統(tǒng)時鐘速度運行;并且可以生成中斷以通知PMU所有操作都已完成，從而可以關閉整個系統(tǒng)的電源。

圖3. 傳感器節(jié)點控制器框圖

使用此類專用硬件執(zhí)行傳感器和外設數據操作的架構的主要優(yōu)點是：

主CPU睡眠時間更長，從而可以節(jié)省功耗

節(jié)省MIPS，因為CPU不必訪問慢速外設或執(zhí)行簡單的數據操作

不過它有一些缺點。SNC編程模型的非常簡單的指令集僅允許基本操作。另外，編程SNC需要使用匯編語言。最后，由于SNC是一個非常簡單的模塊，調試會變得復雜。

節(jié)省功耗和MIPS

我們已經進行了一系列測量，證明了使用SNC可以實現(xiàn)的功耗和MIPS節(jié)省。這些測量是在Dialog的基于ARM Cortex-M33的DA1469x SoC上進行的，并比較了只使用主CPU和在SNC支持下執(zhí)行的相同任務。 第一組測量集中在訪問通常用于傳感器讀數的慢速外設(如I2C和SPI)時節(jié)省的功耗/MIPS。第二組測量著眼于使用DA1469x中包含的藍牙低功耗(BLE)通信模塊的實際應用案例。

表1描述了傳輸小型SPI或I2C數據事務(如寫/讀16/128字節(jié))時的能耗。

表1：傳輸小型數據事務時的能耗(數字為1.8 V，8-bit傳輸)

與CPU(CM33)相比，SNC執(zhí)行事務所需的時間要短很多，如表2所示。由于CPU可能需要執(zhí)行忙等待，因此節(jié)省了時間相當于節(jié)省了MIPS。

表2：SNC寫/讀8 bit數據所需的時間以及CPU相應所需的時間

對現(xiàn)實生活中的使用案例，我們比較了每隔1500毫秒(表3)和500毫秒(表4)進行廣播時所消耗的功率，同時使用SPI每100毫秒讀取加速計傳感器一次。

表3：每1500毫秒進行廣播時的能耗，使用SPI每100毫秒進行一次傳感器讀取

表4：每500毫秒進行廣播時的能耗，使用SPI每100毫秒進行一次傳感器讀取

在復雜的應用中，如果需要訪問多個傳感器，考慮到緩存未命中和任務切換等問題，對MCU的占用會更大。