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)了解周圍環(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)

SNC的主要特性如下(圖3)：

傳感器節(jié)點(diǎn)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(nèi)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(chǔ)和數(shù)據(jù)

DMA功能，用于將數(shù)據(jù)直接從通信接口傳輸?shù)较到y(tǒng)RAM

直接訪問(wèn)所有外設(shè)和寄存器

通過(guò)PMU在中斷觸發(fā)和域上電(例如定時(shí)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(nèi)存連接;以系統(tǒng)時(shí)鐘速度運(yùn)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(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的電源。

圖3. 傳感器節(jié)點(diǎn)控制器框圖

使用此類專用硬件執(zhí)行傳感器和外設(shè)數(shù)據(jù)操作的架構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是：

主CPU睡眠時(shí)間更長(zhǎng)，從而可以節(jié)省功耗

節(jié)省MIPS，因?yàn)镃PU不必訪問(wèn)慢速外設(shè)或執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)操作

不過(guò)它有一些缺點(diǎn)。SNC編程模型的非常簡(jiǎn)單的指令集僅允許基本操作。另外，編程SNC需要使用匯編語(yǔ)言。最后，由于SNC是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模塊，調(diào)試會(huì)變得復(fù)雜。

節(jié)省功耗和MIPS

我們已經(jīng)進(jìn)行了一系列測(cè)量，證明了使用SNC可以實(shí)現(xiàn)的功耗和MIPS節(jié)省。這些測(cè)量是在Dialog的基于ARM Cortex-M33的DA1469x SoC上進(jìn)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(wù)。 第一組測(cè)量集中在訪問(wèn)通常用于傳感器讀數(shù)的慢速外設(shè)(如I2C和SPI)時(shí)節(jié)省的功耗/MIPS。第二組測(cè)量著眼于使用DA1469x中包含的藍(lán)牙低功耗(BLE)通信模塊的實(shí)際應(yīng)用案例。

表1描述了傳輸小型SPI或I2C數(shù)據(jù)事務(wù)(如寫(xiě)/讀16/128字節(jié))時(shí)的能耗。

表1：傳輸小型數(shù)據(jù)事務(wù)時(shí)的能耗(數(shù)字為1.8 V，8-bit傳輸)

與CPU(CM33)相比，SNC執(zhí)行事務(wù)所需的時(shí)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(shí)間相當(dāng)于節(jié)省了MIPS。

表2：SNC寫(xiě)/讀8 bit數(shù)據(jù)所需的時(shí)間以及CPU相應(yīng)所需的時(shí)間

對(duì)現(xiàn)實(shí)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(jìn)行廣播時(shí)所消耗的功率，同時(shí)使用SPI每100毫秒讀取加速計(jì)傳感器一次。

表3：每1500毫秒進(jìn)行廣播時(shí)的能耗，使用SPI每100毫秒進(jìn)行一次傳感器讀取

表4：每500毫秒進(jìn)行廣播時(shí)的能耗，使用SPI每100毫秒進(jìn)行一次傳感器讀取

在復(fù)雜的應(yīng)用中，如果需要訪問(wèn)多個(gè)傳感器，考慮到緩存未命中和任務(wù)切換等問(wèn)題，對(duì)MCU的占用會(huì)更大。