引言

今天的便攜式設(shè)備通過(guò)持續(xù)的活動(dòng)監(jiān)測(cè)和情境感知來(lái)了解周?chē)h(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，設(shè)備集成了越來(lái)越多的傳感器和外設(shè)，由此產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這反過(guò)來(lái)使得集成更強(qiáng)大的CPU變得很有必要，以便執(zhí)行越來(lái)越多的計(jì)算。同時(shí)，必須縮小設(shè)計(jì)尺寸，降低成本和功耗，但又不犧牲最終產(chǎn)品不斷提升的功能要求。

傳感器中樞（Sensor hub）的概念被越來(lái)越多地采用到當(dāng)今的SoC設(shè)計(jì)中，以滿足“始終運(yùn)行”的傳感器/外設(shè)訪問(wèn)和控制（甚至以高速率）的要求，而且不會(huì)增加功耗和設(shè)計(jì)成本。傳感器中樞可以是小型CPU內(nèi)核，與傳感器/外設(shè)連接，并通過(guò)執(zhí)行后臺(tái)操作并僅在需要時(shí)“喚醒”主處理器，充當(dāng)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(gòu)應(yīng)用在集成多個(gè)傳感器的系統(tǒng)中的典型基于微控制器的架構(gòu)包括以下組件[1]：

a) 一個(gè)微控制器單元（MCU） - 也稱為處理子系統(tǒng)，MCU控制系統(tǒng)內(nèi)所有構(gòu)成部分的運(yùn)行并處理數(shù)據(jù)。它包括一個(gè)處理器、一個(gè)內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器、以及本地?cái)?shù)據(jù)處理所需的所有外設(shè)和子系統(tǒng)。在典型的基于MCU的架構(gòu)中，控制器執(zhí)行所有傳感器數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)。

b) 傳感器元件（或傳感子系統(tǒng)） - 一組傳感器，可以是無(wú)源或有源，數(shù)字或模擬的任意組合。這些傳感器將來(lái)自外部環(huán)境的輸入信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在大多數(shù)應(yīng)用中，傳感器用于監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、光、氣壓、振動(dòng)、流速、溫度、通風(fēng)、電等。通常來(lái)說(shuō)，傳感器元件在其輸出端生成電壓或電流信號(hào)。在數(shù)據(jù)被處理、存儲(chǔ)和傳輸之前，這些信號(hào)一般會(huì)被放大，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

c) 無(wú)線電 - 一種短距離收發(fā)器，提供與主機(jī)的無(wú)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(dāng)可控單元，可單獨(dú)打開(kāi)和關(guān)閉系統(tǒng)構(gòu)建塊的電源。它通常是MCU軟件中的一個(gè)軟件塊。電源子系統(tǒng)負(fù)責(zé)為每個(gè)單獨(dú)的硬件組件提供合適的電源電壓。

在具有多個(gè)傳感器的更復(fù)雜的基于微控制器的架構(gòu)中，在硬件中集成了智能，用來(lái)控制各種子系統(tǒng)。例如，從傳感器到存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)耗時(shí)又耗電，這一部分工作其實(shí)可以從處理器轉(zhuǎn)移到直接內(nèi)存存取（DMA）單元。電源管理單元（PMU）還可以被編程為對(duì)特定事件做出反應(yīng)并關(guān)閉各種子系統(tǒng)，例如外設(shè)、傳感器和無(wú)線電。

圖1. 基于微控制器的典型架構(gòu)

這種先進(jìn)架構(gòu)的目的是盡可能減少主MCU活躍的時(shí)間。原來(lái)需要MCU干預(yù)的任務(wù)，現(xiàn)在可以由智能子系統(tǒng)執(zhí)行。然而，還存在一個(gè)問(wèn)題，就是每次有來(lái)自傳感器、無(wú)線電或各種子系統(tǒng)的事件時(shí)，MCU都需要被喚醒，因?yàn)樗俏ㄒ豢梢圆渴疬壿媮?lái)處理這些事件的元件。

優(yōu)化功率的技術(shù) - 添加傳感器節(jié)點(diǎn)控制器為了延長(zhǎng)具有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，已經(jīng)提出了很多種降低功耗的技術(shù)[2]，[3]。有些技術(shù)在媒體訪問(wèn)控制層面進(jìn)行節(jié)能[4]，[5]，有些技術(shù)從數(shù)據(jù)聚合或融合著手[6]，[7]，有的則采用芯片設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，如片上功率門(mén)控[ 8]或動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)[9]。

本文介紹了一種不同的技術(shù)，來(lái)優(yōu)化多傳感器系統(tǒng)中的電源使用，同時(shí)將主處理器用于數(shù)據(jù)采集的喚醒時(shí)間控制到最短。該技術(shù)基于集成復(fù)雜的硬件狀態(tài)機(jī)，可以接管主處理器上的重復(fù)性任務(wù)，如傳感器輪詢和讀取，從而實(shí)現(xiàn)集成的低功耗傳感器中樞概念。專用硬件狀態(tài)機(jī)可以更快地喚醒，并使用更少的模塊來(lái)將數(shù)據(jù)從傳感器/外設(shè)傳輸?shù)絻?nèi)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(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行簡(jiǎn)單操作，因此主處理器只需要在要求復(fù)雜數(shù)據(jù)操作時(shí)喚醒。

這種方法的一個(gè)很好的例子，是集成在Dialog半導(dǎo)體公司的DA1469x藍(lán)牙低功耗SoC解決方案中的傳感器節(jié)點(diǎn)控制器（SNC）硬件模塊[10]。SNC是一種微型硬件狀態(tài)機(jī)，能運(yùn)行由有限的指令集組成的微碼（μcode），有助于開(kāi)發(fā)人員操控通信控制器（即SPI、I2C等）、傳感器和外設(shè)。它可以通過(guò)使用其最小指令集自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)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(nèi)存地址內(nèi)容（值）、將數(shù)據(jù)從通信接口傳輸?shù)较到y(tǒng)RAM以及比較分支 - 同時(shí)消耗最低電流。

圖2. 具有傳感器節(jié)點(diǎn)控制器外設(shè)的應(yīng)用處理器架構(gòu)