前言

今日的便携式设备根据不断的主题活动检测和情景认知来掌握周边环境。为了更好地达到这种作用，机器设备集成化了愈来愈多的感应器和外接设备，从而造成大量的数据信息。这相反促使集成化更强悍的CPU越来越很必须，便于实行很多的测算。与此同时，务必变小设计方案规格，控制成本和功能损耗，但又不放弃最后商品持续提高的作用规定。

感应器神经中枢（Sensor hub）的理念被愈来愈多地使用到当下的SoC设计方案中，以达到“自始至终运作”的感应器/外接设备浏览和操纵（乃至以高速传输）的规定，并且不容易提升功能损耗和制定成本费。感应器神经中枢能够是中小型CPU核心，与感应器/外接设备联接，并根据实行后台管理实际操作并仅在须要时“唤起”主CPU，当做功能损耗很大的主CPU的卸载掉模块的人物角色。

用以感应器收集的根据CPU的典型性构架

运用在集成化好几个控制器的体系中的典型性根据微处理器的构架包含下列部件［1］：

a）一个微处理器模块（MCU） - 也称之为解决分系统，MCU自动控制系统内全部组成一部分的运作并解决数据信息。它包含一个CPU、一个內部或外界储存器、及其当地数据处理方法需要的任何外接设备和分系统。在常见的根据MCU的系统架构中，控制板实行全部感应器数据采集、解决和储存。

b）感应器元器件（或感测器分系统） - 一组感应器，能够是微波感应器或数字功放，数据或模仿的随意组成。这种感应器将来源于外部环境因素的键入信息内容转变成电子信号。在大部分使用中，感应器用以检测健身运动、光、标准气压、震动、流动速度、溫度、自然通风、电等。一般 而言，感应器元器件在其輸出端转化成工作电压或电流量数据信号。在数据信息被解决、储存和传送以前，这种数据信号一般会被变大，并根据数模转换器转化成模拟信号。

c）无线通信 - 一种短路线光端机，给予与服务器的无线通讯。

d）开关电源分系统 - 一般连结到充电电池或动能数据采集器。该分系统当做可控性模块，可独立开启和关掉搭建块的开关电源。它一般是MCU手机软件中的一个软件块。开关电源分系统承担为每一个独立的硬件配置部件给予适合的电源电压。

在具备好几个控制器的更繁杂的根据微处理器的系统架构中，在硬件配置中集成化了智能化，用于操控各种各样分系统。 比如，从感应器到储存器传送数据用时又耗电量，这一部分工作中实际上能够从CPU迁移到立即运行内存存储（DMA）模块。电池管理模块（PMU）还能够被程序编写为对特殊事情作出反映并关掉各种各样分系统，比如外接设备、感应器和无线通信。

图1. 根据微处理器的典型性构架

这类优秀构架的效果是尽量减少主MCU活跃性的時间。原先必须MCU干涉的每日任务，现在可以由智能化分系统实行。殊不知，还存有一个难题，便是每一次有来源于感应器、无线通信或各种各样分系统的事情时，MCU都必须被唤起，因为它是唯一能够布署逻辑性来解决这种事情的元器件。

提升输出功率的技术性 - 加上感应器连接点控制板

为了更好地增加具备好几个控制器的体系的续航时间，早已提起了很多种多样降低功耗的技术性［2］，［3］。有一些技术性在新闻媒体密钥管理方面开展环保节能［4］，［5］，有一些技术性从数据信息汇聚或结合下手［6］，［7］，有的则选用ic设计开发技术，如片上输出功率自动门［ 8］或动态性工作电压调整［9］。

文中详细介绍了一种不一样的技术性，来提升多感应器体系中的开关电源应用，与此同时将主CPU用以数据采集系统的叫醒時间把控到最短。该技术性根据集成化繁杂的硬件配置状态机，能够对接主CPU上的可重复性每日任务，如感应器轮循和载入，进而完成集成化的功耗低感应器神经中枢定义。专用型硬件配置状态机能够迅速地唤起，并应用更小的组件来将信息从感应器/外接设备传送到运行内存，及其反方向传送，而主CPU维持休眠模式。除此之外，感应器神经中枢能够对数据信息实行简易实际操作，因而主CPU只须要在规定繁杂数据信息实际操作时唤起。

这类办法的一个有效的事例，是融合在Dialog半导体公司的DA1469x手机蓝牙功耗低SoC解决方法中的感应器连接点控制板（SNC）硬件配置控制模块［10］。SNC是一种小型硬件配置状态机，能运作由比较有限的指令系统构成的微码（μcode），有利于开发者操纵通讯控制板（即SPI、I2C等）、感应器和外接设备。它能够根据应用其最少指令系统自启动，不用唤起系统软件的一部分。这容许它实行诸多实际操作 - 比如：轮循感应器情况位、较为存储器与基址內容（值）、将信息从通信协议传送到系统软件RAM及其较为支系 - 与此同时耗费最少电流量。

图2. 具备感应器连接点控制板外接设备的运用处理器架构

SNC的关键性能以下（图3）：

·感应器连接点指令系统（SeNIS），包括10条微码转化成命令，适用：

轻轻松松建立偏向内存缓冲区的表针 轮循串行通信情况位 较为阀值

·系统软件RAM用以微码储存和数据信息

·DMA作用，用以将数据信息可以直接从通信协议传送到系统软件RAM

·立即浏览全部外接设备和存储器

·根据PMU在终断开启和域通电（比如计时器、GPIO）后立即执行

·SNC到主CPU通告，及其反方向通告

SNC与全部通信协议（SPI、I2C和UART）坐落于同样的开关电源域，SNC还能够操纵别的开关电源域。它实行停留在系统软件RAM中的微码，在其中SNC具备立即运行内存联接；以系统软件数字时钟速率运作；而且能够转化成终断以通告PMU全部操控都顺利完成，进而能够关掉全部体系的开关电源。

图3. 感应器连接点控制板框架图

应用该类专用型硬件配置实行感应器和外接设备数据信息使用的构架的具体优势是：

·主CPU睡觉时间更长，进而能够减少功能损耗

·节约MIPS，由于CPU无须浏览慢速度外接设备或实行简易的数据信息实际操作

但是它有一些缺陷。SNC程序编写实体模型的比较简单的指令系统仅容许操作过程。此外，程序编写SNC必须应用汇编程序。最终，因为SNC是一个比较简单的控制模块，调节会复杂化。

节约功能损耗和MIPS

大家早已开展了一系列精确测量，证实了应用SNC能够完成的功能损耗和MIPS节约。这种精确测量是在Dialog的根据ARM Cortex-M33的DA1469x SoC上实现的，并较为了只应用主CPU与在SNC适用下实行的同样每日任务。 第一组精确测量集中化在浏览一般用以感应器读值的慢速度外接设备（如I2C和SPI）时减少的功能损耗/MIPS。第二组精确测量紧紧围绕应用DA1469x中包括的手机蓝牙功耗低（BLE）通讯控制模块的真实运用实例。

表1叙述了传送中小型SPI或I2C数据信息事务管理（如写/读16/128字节）时的耗能。

表1：传送中小型数据信息事务时的耗能（数据为1.8 V，8-bit传送）

与CPU（CM33）对比，SNC实行公司需的時间要短许多，如表2所显示。因为CPU很有可能必须实行忙等候，因而减少了時间等同于减少了MIPS。

表2：SNC写/读8 bit数据信息需要的时间段及其CPU相对应需要的時间

对现实生活中的应用实例，大家较为了每过1500ms（表3）和500ms（表4）开展广播节目时需耗费的输出功率，与此同时应用SPI每100毫秒载入加快计感应器一次。

表3：每1500ms开展广播节目时的耗能，应用SPI每100毫秒开展一次感应器载入

表4：每500ms开展广播节目时的耗能，应用SPI每100毫秒开展一次感应器载入

在错综复杂的使用中，假如必须浏览好几个感应器，充分考虑缓存文件未击中和每日任务转换等难题，对MCU的占有会更高。

减少程序编写复杂性

上边提及过，应用集合的感应器连接点控制板时面对的最大的考验之一，是保证 基本系统功能的程序编写、调节和灵活运用与选用通用性MCU的计划方案一样简易。挑戰的具体领域有：

·给予对开发者友善的抽象性程序编写，以高效操纵推动与衔接的感应器/外接设备的通信协议，及其与主CPU通讯相对性应的基本要素。

·运用10命令选编式程序编写，并带来更高級其他程序编写构造，以简单化和加快开发软件。

·适用完全的系统软件总体调节 - 而不是独立调节每一个CPU核心，由于也许难以监测到当核心并行处理运作时的操作系统个人行为不正确。

为了更好地处理这种挑戰，大家必须一个详细、便于应用的程序编写架构。它务必包含抽象性和程序流程，将高并发电脑操作系统每日任务的案例拓展到在SNC上运行的相对应（并行处理）解决。大家早已为Dialog DA1469x解决方法开发设计了那样的程序编写架构（图4）。它具备下列特性：

·简单化的SNC微码开发设计

根据界定根据SeNIS的类C计算机语言，能够一起适用选编和类C程序编写。

·用以编写程序的“混和”编号实体模型

在同样的源和库函数中并且包括对于SNC和主CPU情景（context）的源代码开发设计 - 应用了一个C预CPU来界定根据SeNIS的语言表达构造，便捷开发者。

·与推动主CPU通信协议、互换SNC通告、和系统資源有关的基本体制和功用的抽象性，做为一组详细且便于应用的API程序流程/类C涵数。

·可观测性和高級调节体制与此同时运用于SNC和主CPU实行情景。

图4. SNC程序编写架构

SNC程序编写实体模型的特点可归纳如下：

·DA1469x运用包含由OS每日任务和SNC 微码并行执行的过程。

·SNC电源适配器向DA1469x系统软件申请注册或销户SNC微码，进而建立一列SNC微码，每一个微码由特殊PMU事情开启。

·SNC电源适配器选用独特的SNC微码，依据对应的微码目录完成申请注册的SNC微码实行的生产调度，并根据其低等控制器操纵SNC硬件配置控制模块。

·界定了一组根据SeNIS的构造预CPU宏，进而转化成一组选编和类C语言构造用以SNC微码开发设计。

·给予一组低等控制器SNC微码，可用来推动SPI、I2C等通讯外接设备。

·为电脑操作系统每日任务和SNC微码给予了一种体制，开展互换：

通告 数据信息（即：SNC 序列）

除开以上完成轻轻松松程序编写SNC涵数的构造以外，还给予以下几点以适用调节：

·应用SNC中断点和逐渐调节地区来调节SNC微码的体制。

·SNC仿真器，而不是SNC硬件配置控制模块，用以改善和简单化SNC微码调节全过程。

汇总

文中详细介绍了一种新的构架，可最大限度地减少集成化了好几个感应器和外接设备的便携系统软件的功能损耗。该构架应用繁杂的硬件配置状态机来卸载掉主CPU上的一些可重复性每日任务，比如感应器/外接设备轮循和载入。与别的构架对比，这类新构架在功能损耗和MIPS提升层面有着较大的优点，但是会使程序编写实体模型变的更繁杂。因而，大家还讲解了一种对开发者友善的程序编写架构来摆脱该难题。

　　创作者：

　　Marios Iliopoulos， Fotios Kerasiotis， Nikolaos Moschopoulos

论文参考文献

［1］ Goran Nikoli?， Mile Stoj?ev， Zoran Stamenkovi?， Goran Pani?， Branislav Petrovi?， “Wireless Sensor Node with low power sensing”， Electronics and EnergeTIcs Vol. 27， No 3， September 2014， pp. 435 - 453

［2］ V. Raghunathan， S. Ganerival， and M. Srivastava， “Emerging Techniques for Long Lived Wireless Sensor Networks”， IEEE CommunicaTIon Magazine， 2006， Vol.41， No. 4， （pp. 130-141）

［3］ G. Anastasi， M. ConTI， M. Di Francesco， and A. Passarella， “Energy ConservaTIon in Wireless Sensor Networks： A survey”， Ad Hoc Networks， 2009， Vol. 7， （pp. 537–568）

［4］ W. Ye， J. Heidemann， and D. Estrin， “An Energy-Efficient Mac Protocol for Wireless Sensor Networks，” Proc. IEEE Infocom， New York （USA） 2002， （pp. 1567-1576）。

［5］ M. Al Ameen， S.M. Riazul Islam， and K. Kwak， “Energy Saving Mechanisms for MAC Protocols in Wireless Sensor Networks”， Hindawi Publishing Corporation International Journal of Distributed Sensor Networks， Volume 2010 （2010）， Article ID 163413， （pp 1-16）

［6］ M. Hempstead， N. Tripathi， P. Mauro， G.-Y. Wei， and D. Brooks， “An Ultra Low Power System Architecture for Sensor Network Applications，” Proc. 32nd Annual International Symposium on Computer Architecture， Madison （USA） 2005， （pp. 208-219）。

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［8］ G. Pani?， Z. Stamenkovi?， and R. Kraemer， “Power Gating in Wireless Sensor Networks”， Wireless Pervasive Computing， 2008. ISWPC2008. 3rd International Symposium on Santorini， Greece， May 2008， （pp. 499-503）

［9］ T. Burd， and R. Brodersen， “Energy Efficient Microprocessor Design”， Kluwer Academic Publishers， Norwell MA， USA， 2002

［10］ Dialog Semiconductor， “DA1469x Datasheet”

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