引言

今天的便攜式設備通過持續的活動監測和情境感知來了解周圍環境。為了實現這個功能，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，MCU控制系統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。在典型的基于MCU的架構中，控制器執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） - 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 - 一種短距離收發器，提供與主機的無線通信。

d) 電源子系統 - 通常連接到電池或能量采集器。該子系統充當可控單元，可單獨打開和關閉系統構建塊的電源。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。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，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，現在可以由智能子系統執行。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。

優化功率的技術 - 添加傳感器節點控制器為了延長具有多個傳感器的系統的續航時間，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化技術，如片上功率門控[ 8]或動態電壓調節[9]。

本文介紹了一種不同的技術，來優化多傳感器系統中的電源使用，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，從而實現集成的低功耗傳感器中樞概念。專用硬件狀態機可以更快地喚醒，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。此外，傳感器中樞可以對數據執行簡單操作，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點控制器（SNC）硬件模塊[10]。SNC是一種微型硬件狀態機，能運行由有限的指令集組成的微碼（μcode），有助于開發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，無需喚醒系統的其余部分。這允許它執行眾多操作 - 例如：輪詢傳感器狀態位、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RAM以及比較分支 - 同時消耗最低電流。

圖2. 具有傳感器節點控制器外設的應用處理器架構