?? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）是由大量節(jié)點組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監(jiān)測，由嵌入式微處理器對信息進行加工處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠程用戶。在國防安全、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和實用價值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息領(lǐng)域的一個全新的方向，已經(jīng)引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[i]。國外的許多大學和研究機構(gòu)紛紛投入了大量的研發(fā)力量從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件系統(tǒng)的研究工作，最具代表性的是美國加州大學伯克利分校（UC/Berkeley）和英特爾公司（Intel）聯(lián)合成立的“智能塵埃(Smart Dust)”實驗室[ii]，它的目標是為美國軍方提供能夠在一立方毫米的體積內(nèi)自治地完成感知和通信功能的設(shè)備原型系統(tǒng)(Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter)，也就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研制。這項工作從1998年開始到2001年結(jié)束，受到了美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA：The Defense Advanced Research Projects Agency）的支持。在隨后的幾年里，加州大學伯克利分校有多個實驗室開始了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)的工作，如：NEST(Network Embedded Systems Technology)[iii]、WEBS(Wireless Embeded system)[iv]、BARWAN (Bay Area Research Wireless Access Network)[v]、BWRC(Berkeley Wireless Research Center)[vi]等實驗室，從不同的角度對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了大量具有開創(chuàng)性的研究。

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??? 美國很多大學在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面開展了大量工作。如加州大學洛杉磯分校（UCLA）的CENS（Center for Embedded Networked Sensing)實驗室[vii]、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)實驗室[viii]、NESL（Networked and Embedded Systems Laboratory）實驗室[ix]、LECS（Laboratory for Embedded Collaborative Systems）實驗室[x]、IRL（Internet Research Lab)[xi]等。另外，麻省理工學院（MIT）獲得了ARPA的支持，從事著極低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，被業(yè)界廣泛關(guān)注的SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）協(xié)議也是出自MIT[xii,xiii]；奧本大學（Auburn University）也獲得DARPA支持，從事了大量關(guān)于自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，并完成了一些實驗系統(tǒng)的研制[xiv]； 賓漢頓大學（Binghamton University）計算機系統(tǒng)研究實驗室在移動自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用層設(shè)計等方面做了很多研究工作[xv]；州立克利夫蘭大學（俄亥俄州）（Cleveland State University, Ohio –CSU Ohio）的移動計算實驗室在基于IP的移動網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)方面結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行了研究[xvi]。另外，北亞利桑那大學（Northern Arizona University）的無線網(wǎng)絡(luò)研究實驗室（Wireless Network Research Lab, WNRL)[xvii]、萊斯大學（Rice University）

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??? 多媒體通信實驗室的無線個人局域網(wǎng)工作組[xviii]；斯坦福（Stanford）大學的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室[xix]、新澤西（New Jersey）州立大學的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室[xx]、伊利諾伊大學厄本那－香檳分校（UIUC）的TIMELY實驗室[xxi]、南加州大學的RESL（The Robotic Embedded Systems Laboratory）實驗室[xxii]、佛蒙特大學(University of Vermont)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)實驗室[xxiii]、西密西根大學（Western Michigan University）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室[xxiv]。此外新加坡國立大學（NUS）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室[xxv]等也有關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。

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??? 國內(nèi)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究也已經(jīng)在很多研究所和高校展開。中科院上海微系統(tǒng)所[xxvi]憑借其在微系統(tǒng)和微型機電系統(tǒng)（MEMS1）技術(shù)方面良好的基礎(chǔ)，自從1998年就對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了跟蹤和研究，已經(jīng)通過系統(tǒng)集成的方式完成了一些終端節(jié)點和基站的研發(fā)。他們的很多工作都是與CDMA2和GPS3技術(shù)相關(guān)，從某種程度上說已經(jīng)超越了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；中科院電子所和沈陽自動化所也分別從傳感器技術(shù)和控制技術(shù)角度入手開展工作，他們專注于傳感或控制執(zhí)行部分，對上層的通信技術(shù)和核心微處理器部分涉及較少；浙江大學現(xiàn)代控制工程研究所成立了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制實驗室”[xxvii]，聯(lián)合相關(guān)單位專門從事面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論方面的研究；山東省科學院[xxviii]于2004年10月正式啟動了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)的研究；另外中科院軟件所、中科院自動化所、國防科技大學、清華大學、中國科學技術(shù)大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京郵電大學、山東大學、東南大學等單位在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面也都有一定的工作。從研究問題的深度和投入的科研力量來說，國內(nèi)的水平相對國外落后，在點上的研究較多，缺少對整個系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究，具有自主知識產(chǎn)權(quán)較少。

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??? 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)主要包括傳感器、處理和通信三個部分，跨越多個領(lǐng)域，而且國際上對無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究也只有短短的幾年時間，現(xiàn)有的絕大部分研究和設(shè)計都是各領(lǐng)域的成熟模塊的板級集成，并沒有使用專用的處理芯片，在系統(tǒng)功耗、芯片面積、節(jié)點面積、處理能力、程序空間、數(shù)據(jù)空間等方面都受到了極大的限制。目前的工作有必要從無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實際需求出發(fā)，開發(fā)出專用的核心片上系統(tǒng)芯片，并進一步集成傳感器、射頻通信、功耗管理及其他專用功能，從而滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用需求。中科院計算所的工作就是在此基礎(chǔ)上展開的，目的是通過對以上各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點的詳盡研究，設(shè)計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微處理器芯片和節(jié)點，進一步組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)微處理器芯片

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??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要優(yōu)勢是擺脫了傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的連線限制，解決了成本問題，通過傳感器技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的融合，大大縮短了人和自然之間的距離。電源效率是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素。因為如果必須時常更換電池（例如每周或每月），那么相關(guān)的各種成本便會超過它相對有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的成本。因此，電池必須具有較長的壽命（通常1-5年）。此外，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理念是“隨時隨地無線”和“隨時隨地感知”，減小節(jié)點尺寸也是必須考慮的設(shè)計要素。對傳感器節(jié)點來說，很多時候即使采用AA電池也會超出體積要求，因此最好能選擇紐扣式電池供電。但在特定的應(yīng)用背景下，直接使用現(xiàn)有的芯片或者現(xiàn)在市場上已經(jīng)存在的系統(tǒng)根本不能滿足未來千變?nèi)f化紛繁復(fù)雜的應(yīng)用要求，因此我們有必要在具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用處理芯片的開發(fā)、軟硬件系統(tǒng)的研制方面開展工作。

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??? 微處理器芯片是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心部件。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計數(shù)據(jù)藍皮書中的統(tǒng)計報告顯示，2001年英特爾、AMD、IBM、Motorola等四家芯片巨頭生產(chǎn)的通用處理器按片數(shù)銷售量計算僅占處理器市場份額的6%，余下的94%，即50億片芯片均為嵌入式微處理器 。統(tǒng)計數(shù)字表明，平均每個美國家庭擁有大約60片嵌入式處理器。目前，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，國內(nèi)主要市場被國外產(chǎn)品占領(lǐng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)對嵌入式處理器提出了功耗、面積、專用接口等諸多新的需求，現(xiàn)有的微處理器芯片開始顯得捉襟見肘，應(yīng)用呼喚用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專用的微處理器芯片。因應(yīng)這一形勢，我們針對大部分嵌入式處理器的特點，面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用，開始研發(fā)具有極低功耗的微處理器芯片。

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3 潛在市場分析

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????無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在著巨大的商業(yè)前景，也開始成為商家爭相投資的對象，并且涌現(xiàn)出了很多專門從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的公司。其中首推Crossbow公司[xxix]和DUST公司[xxx]，它們都是由加州大學伯克利分校技術(shù)發(fā)展而來。前者主要針對航空電子、交通運輸、無人探測、環(huán)境監(jiān)控、測控測量等具體應(yīng)用承接定制相應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和應(yīng)用方案；后者主要提供了可靠的、可管理的和易于安裝的SmartMesh? [xxxi]傳感器互聯(lián)方案，該網(wǎng)絡(luò)方案被Red Herring組織評為2004年度TOP100發(fā)明獎。Ember公司[xxxii]提供了與IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的射頻芯片及相應(yīng)的軟件和開發(fā)工具的服務(wù)。Luna iMonitoring公司[xxxiii]主要提供關(guān)于壓力、液位、電量等無線智能監(jiān)測技術(shù)及相應(yīng)的硬件設(shè)備。MicroStrain公司[xxxiv]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了在航空航天、國防、汽車電子、城市工程、生物制造等方面的應(yīng)用。其它類似的公司還有Millennial Net、Sensoria Corp.、Xsilogy等。另外，IBM、英特爾等公司也十分看好無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一新興領(lǐng)域，并開始進行與之相關(guān)的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)。這些公司基本上還是處于技術(shù)積累和產(chǎn)品研發(fā)階段，暫時還沒有公司能夠真正進入市場并盈利。

??? 嵌入式微處理器本身的市場也是巨大的。據(jù)Gartner Dataquest調(diào)查結(jié)果，2000年嵌入式微處理器芯片的市場規(guī)模為38億美元。2001年，在全世界嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元；我國的嵌入式微處理器芯片的市場需求量已達1-3億片，近幾年來，每年以大約20%的速度在飛速增長，遠遠超過了通用處理器市場，低功耗微處理器具有廣闊的市場空間和應(yīng)用前景。

4 低功耗微處理器設(shè)計

??? 中科院計算所正致力于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低功耗嵌入式微處理器的研發(fā)工作，在基于事件隊列的消息處理機制、面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的硬件加密、軟硬件協(xié)同的動態(tài)功耗管理機制、事件驅(qū)動的嵌入式實時操作系統(tǒng)、基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化機制等方面取得了一定的進展。同時，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的軟硬件系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)方面進行了一定的研究與開發(fā)工作，已推出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點原型系統(tǒng)。

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4.1 低功耗微處理器結(jié)構(gòu)圖

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??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件一般包括傳感器﹑微處理器和無線收發(fā)器等三個功能部分，其中微處理器是核心處理部件，提供了整個系統(tǒng)的計算資源和存儲資源。出于低功耗設(shè)計及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在硬件資源需求上的考慮，該處理器采用的是單發(fā)射順序執(zhí)行、標準五級流水、指令總線與數(shù)據(jù)總線分離的RISC4系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示，指令總線的寬度均為16位。我們根據(jù)應(yīng)用需要定制了8位和16位兩種數(shù)據(jù)總線。系統(tǒng)總線左邊為處理器部分，它包括算術(shù)邏輯單元、指令和數(shù)據(jù)存儲器、32個通用寄存器、程序指針及堆棧指針等；在圖的右邊為SPI5、UART6、I2C7等通用接口，以滿足和不同外設(shè)進行互聯(lián)的需要；另外還有功耗管理協(xié)處理器、消息管理協(xié)處理器、TimerCounter、ADC8等功能模塊。需要說明的是，圖1僅僅給出了主要計算資源的框圖，不包括功耗管理機制和硬件加密部分。

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圖1 低功耗微處理器主要計算資源

????我們設(shè)計的低功耗微處理器包含了113條指令，其中絕大部分都是16位定長指令，也有部分為32位，主要為長跳轉(zhuǎn)指令、函數(shù)調(diào)用指令和帶有立即數(shù)的Load/Store指令。這些指令可以分為以下五種類型：第一、標準RISC指令，包括各種算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、跳轉(zhuǎn)指令等，是微處理器的主要計算資源；第二、加密專用指令，包括：隨機數(shù)發(fā)生器、DES9、RSA10、AES11、指紋產(chǎn)生等，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)保密通信及系統(tǒng)安全的重要保證，也是本款芯片的特點所在；第三、睡眠模式設(shè)置指令，通過軟硬件協(xié)同的方式來達到對系統(tǒng)功耗進行有效的管理；第四、與射頻通信及傳感數(shù)據(jù)采集相關(guān)的指令，特別是通信協(xié)議實現(xiàn)部分，很大程度上提高了通信性能，這些指令突出體現(xiàn)了微處理器作為核心部件的作用；第五、事件驅(qū)動專用指令，主要用于消息隊列的設(shè)置與管理、動態(tài)功耗管理策略設(shè)置等。

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??? 低功耗技術(shù)貫穿于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟硬件設(shè)計的始終，不但體現(xiàn)在應(yīng)用軟件設(shè)計、通信協(xié)議、嵌入式操作系統(tǒng)及編譯器中，更體現(xiàn)在我們硬件設(shè)計的各個層次中。我們所使用的低功耗設(shè)計技術(shù)包括：基于事件消息隊列驅(qū)動的低功耗微處理器系統(tǒng)架構(gòu)、采用通路平衡實現(xiàn)低功耗高速乘法器、指令集的低功耗編碼、能量自適應(yīng)組網(wǎng)模式、低功耗偵聽技術(shù)（MAC12層）、動態(tài)功耗管理機制、芯片工作頻率可通過軟件設(shè)置等 。

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4.2 硬件加密協(xié)處理器

??? 保密通信和系統(tǒng)安全是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容，這樣硬件加解密也就成為低功耗微處理器設(shè)計的重要功能組成。廣義上的網(wǎng)絡(luò)安全主要包括：保密性、數(shù)據(jù)完整性、可用性、非偽裝性、反抵賴性等，我們這里的安全性主要有用戶級和系統(tǒng)級兩個方面：用戶級一般通過對稱或非對稱密鑰加密；系統(tǒng)級安全性和隱私性主要體現(xiàn)在IP及MAC層，它們也是系統(tǒng)可靠性及可信性的保證。另外，我們還將在微處理器中實現(xiàn)硬件加密指令，主要包括：隨機數(shù)發(fā)生器、DES、RSA、AES、指紋產(chǎn)生等功能模塊。我們的主要創(chuàng)新之處在于對加密算法，特別是密鑰的產(chǎn)生機制的進一步研究。

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??? 網(wǎng)絡(luò)安全一般是通過對稱和非對稱加密體系來保證的。對于非對稱密碼算法，我們的目標是：根據(jù)硬件計算資源的有限和低功耗的特性，使設(shè)計的算法快速、安全。為此，我們打算進一步研究中國剩余定理和不定方程，構(gòu)造出NP13問題，由此設(shè)計出非對稱密碼算法。在這方面，我們已研究過利用對稱群和非對稱群，構(gòu)造出一個非對稱密碼算法，下一步需要進一步對該算法進行研究，分析它的安全性并進一步優(yōu)化，在更廣泛的范圍內(nèi)研究其攻擊方法，以使它能抵抗各種攻擊，最后在硬件上實現(xiàn)。

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??? 圖2是我們所使用的硬件加密協(xié)處理器結(jié)構(gòu)框圖，其數(shù)據(jù)地址總線直接和低功耗微處理器相聯(lián)，主控制器為整個協(xié)處理器的核心，配置器可以通過外部設(shè)置各種參數(shù)來達到對加密算法的修訂，密鑰產(chǎn)生器在主控制器的配合下，給加密引擎產(chǎn)生密鑰。加密引擎是核心計算部件，其中集成了AES、DES、RSA等最常用的加密算法，還有DIG（消息摘要）、RND（隨機數(shù)）等基本運算。它們是實現(xiàn)以上對稱和非對稱加密體系的基礎(chǔ)，也是我們用戶級和系統(tǒng)級數(shù)據(jù)安全的重要保證。通過硬件加密技術(shù)，可以獲得更好的加密效率。

4.3 軟硬件協(xié)同的動態(tài)功耗管理

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??? 動態(tài)功耗管理（Dynamic Power Management）策略可廣泛使用于手機、筆記本電腦、PDA等電池供電的移動設(shè)備的低功耗設(shè)計，這些應(yīng)用的核心處理部件設(shè)計了可以在功耗和性能之間進行不同折中選擇的多種系統(tǒng)狀態(tài)。功耗管理單元根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用對處理資源的變化，動態(tài)地讓硬件系統(tǒng)在這些不同的狀態(tài)之間進行切換，從而在保證給用戶提供必要的性能的同時，可以很大程度上降低功耗。圖3是兩狀態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)功耗管理一般原理圖。外部不同應(yīng)用的服務(wù)請求輸入給硬件系統(tǒng)形成任務(wù)隊列。在沒有功耗管理的系統(tǒng)中這些任務(wù)直接交由計算資源進行處理，任務(wù)完成即進入空閑狀態(tài)。圖中所示系統(tǒng)中由于動態(tài)管理單元加入，功耗管理策略會根據(jù)任務(wù)隊列中的資源需求情況，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)資源分配及調(diào)度順序，在適當時候讓系統(tǒng)中的耗電較多的運算部件部分甚至全部進入極低功耗模式，只保留時鐘頻率低、耗電量小的功耗管理單元對所有任務(wù)隊列的狀態(tài)進行檢測，并在適當?shù)臅r候?qū)⑻幱谛菝郀顟B(tài)的運算部件喚醒，完成各種服務(wù)請求。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點絕大部分時間處于偵聽狀態(tài)，其間，動態(tài)功耗管理策略可以讓其大部分計算資源處于休眠模式，從而極大地降低了系統(tǒng)功耗。

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??? 在我們的低功耗微處理器設(shè)計中，不但以硬件形式實現(xiàn)了以上的動態(tài)功耗管理策略，還專門設(shè)計了控制各種運算部件的低功耗模式的功耗管理專用指令，提供給上層的軟件編程接口。這樣用戶就可以根據(jù)需要定制自己的功耗管理策略，這就是軟硬件協(xié)同的動態(tài)功耗管理思想。在實現(xiàn)過程中，我們使用了時鐘門控和電源門控技術(shù)。它們是通過控制信號在需要的時候截斷電路的時鐘或電源，從而可以大幅度減小耗電。當然在電路設(shè)計中這些技術(shù)的實現(xiàn)都要面對一定的挑戰(zhàn)。特別是電源門控技術(shù)，它們可能會給邏輯綜合、物理設(shè)計、測試驗證及可測試性設(shè)計等帶來一系列問題，都需要認真加以解決。

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4.4 事件驅(qū)動的嵌入式實時操作系統(tǒng)

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??? 系統(tǒng)響應(yīng)時間是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的重要參數(shù)，它體現(xiàn)在很多對實時性有要求的應(yīng)用中。在面向事件驅(qū)動的微處理器上配備相應(yīng)的基于事件驅(qū)動的嵌入式實時操作系統(tǒng)可以使得整個系統(tǒng)達到很好的實時性，所以我們結(jié)合節(jié)點的硬件資源及應(yīng)用背景，在研究μC/OSII、RTLinux、μCLinux等多個操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒并吸收它們的優(yōu)點，開發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的嵌入式實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)呈現(xiàn)為各個獨立模塊的組合：任務(wù)調(diào)度模塊、事件處理模塊、層次狀態(tài)機模塊、時間管理模塊、內(nèi)存管理模塊、中斷管理模塊、驅(qū)動管理模塊等，這種模塊化的組織方式為基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化提供了有力的保障。我們在任務(wù)處理中采用層次狀態(tài)機機制，每次任務(wù)運行時查看有無待處理的事件。如果有，則進行相應(yīng)的處理，并進入下一個狀態(tài)。基于狀態(tài)機的處理使每個任務(wù)運行劃分為更小的狀態(tài)處理，極大地改善了事件響應(yīng)時間，而且使事件處理更規(guī)范，不容易出錯。另外在存儲管理方面，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求比較固定，因此一般應(yīng)用不應(yīng)使用動態(tài)內(nèi)存管理，因為它可能導(dǎo)致大量內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，不利于系統(tǒng)長時間運行。但對于某些應(yīng)用，提供可供選擇的固定塊大小的動態(tài)內(nèi)存分配可以使總的內(nèi)存需求最小。因此我們采用了動靜態(tài)相結(jié)合的存儲器管理策略，獲得了較好的存儲性能。

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4.5 基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化機制

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??? 編譯優(yōu)化是嵌入式系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，也是難點。采用全局分析和優(yōu)化能夠顯著提高程序的性能和降低功耗，但由于C/C++的程序開發(fā)基于分離的文件編譯和鏈接，編譯器的編譯單元是單個文件，這就限制了編譯器得到全局優(yōu)化信息。而嵌入式系統(tǒng)實際運行的程序集合是固定的，因此對于編譯器采用全局分析和優(yōu)化顯得特別有效。傳統(tǒng)的編譯分析局限于單個過程，對于過程間的分析進行得較少，因此不能夠確定過程調(diào)用的副作用，往往只能進行最保守估計。這就限制了編譯的優(yōu)化，導(dǎo)致了更大的寄存器分配壓力和可能更大的訪問內(nèi)存次數(shù)。很多情況下過程的參數(shù)是常數(shù)，如果采用全局優(yōu)化，通過常量傳播算法，可使過程代碼得到較大的縮減。嵌入式系統(tǒng)存在許多小的過程調(diào)用，全局的過程內(nèi)聯(lián)能夠節(jié)省大量的過程調(diào)用時間，并且可以使編譯器的調(diào)度優(yōu)化區(qū)域得到擴大。

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??? 編譯器分析嵌入式系統(tǒng)的所有源文件，構(gòu)建全局的過程調(diào)用圖，從根調(diào)用節(jié)點出發(fā)，遍歷調(diào)用圖，對不在此調(diào)用圖中的過程標記為死節(jié)點。在最終程序中不包含死節(jié)點，這樣可以保證只有被調(diào)用的過程才鏈入程序，可以減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)投影，這就是基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化思想。這種全局優(yōu)化的編譯技術(shù)克服了傳統(tǒng)的編譯分析僅限于單個文件和單個過程的缺點。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)和程序存貯器空間都十分有限的問題，增加了過程間的分析，通過使用常量傳播算法，可以使過程代碼得到較大的縮減。另外，對于嵌入式系統(tǒng)中存在的許多小的過程調(diào)用，全局的過程內(nèi)聯(lián)能夠節(jié)省大量的過程調(diào)用時間，并且可以使編譯器的調(diào)度優(yōu)化區(qū)域得到擴大?；谡{(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化技術(shù)是基于組件的可配置軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，可以使代碼獲得極大的優(yōu)化。

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4.6 低功耗系統(tǒng)設(shè)計

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??? 軟硬件協(xié)同的低功耗系統(tǒng)LPS14（無線傳感節(jié)點就是一個LPS）按設(shè)計層次分為軟件設(shè)計、主板設(shè)計和處理器設(shè)計。按任務(wù)分為軟件設(shè)計、主板設(shè)計、低功耗微處理器設(shè)計、設(shè)計驗證、可測試性設(shè)計。主要軟硬件模塊關(guān)系如圖4所示：

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??? 我們將利用自行開發(fā)的微處理器芯片建立起無線傳感網(wǎng)絡(luò)的示范網(wǎng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5中所示。星狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是一個單跳（single-hop）系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進行雙向通信（圖5中A）。基站可以是一臺PC、PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基本相同。除了向各節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與Internet等更高層系統(tǒng)互相傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點將基站作為一個中間點，相互之間并不直接傳輸數(shù)據(jù)或命令。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，星狀網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點與基站間的傳輸距離有限，通常ISM15頻段的傳輸距離為10~30米。

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??? 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)是多跳系統(tǒng)，其中所有無線傳感器節(jié)點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數(shù)據(jù)傳輸和相互傳輸命令（圖5中B）。網(wǎng)狀網(wǎng)的每個傳感器節(jié)點都有多條路徑到達網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點，因此它的容故障能力較強。多跳系統(tǒng)比星狀網(wǎng)的傳輸距離遠得多，但功耗也更大，因為節(jié)點必須一直“監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化?；旌暇W(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點（圖5中C）。在混合網(wǎng)中，路由器和中繼器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而傳感器節(jié)點則在它們周圍呈星狀分布，中繼器擴展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時提供了容故障能力。由于無線傳感器節(jié)點可與多個路由器或中繼器通信，當某個中繼器發(fā)生故障或某條無線鏈路出現(xiàn)干擾時，網(wǎng)絡(luò)可在其它路由器周圍進行自組。

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圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三種拓撲結(jié)構(gòu)

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5 低功耗微處理器研究進展

??? 我們進行面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗微處理器設(shè)計的目標是完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低功耗微處理器研制；完成基于自主開發(fā)的低功耗微處理器無線傳感節(jié)點的研制；完成基于自主開發(fā)的無線傳感節(jié)點的示范性自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。在低功耗微處理器設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計、無線通信協(xié)議定制等方面有一定的創(chuàng)新，并進一步形成自己完整的知識產(chǎn)權(quán)。

??? 下面簡單介紹微處理器的技術(shù)及實現(xiàn)參數(shù)：
5.1 本項目低功耗微處理器主要技術(shù)要求：
??? a) 兼容AVR RISC指令集

• 123條指令，大部分為單周期指令
• 32個通用寄存器、64個I/O控制寄存器
• 片內(nèi)128KB程序存儲器、4KB數(shù)據(jù)存儲器(可外擴至64KB)
• 在線可編程
  

??? b) 提供豐富的外圍設(shè)備接口

• 片內(nèi)模擬比較器
• 可編程UART、I2C、SPI接口
• 可編程RTC16、看門狗、時鐘源及計數(shù)器
• 可編程RTC17、看門狗、時鐘源及計數(shù)器
• 8通道10位ADC
• 可編程PWM18
  

??? c) 先進的低功耗設(shè)計技術(shù)

（說明：本文除介紹我們自己的工作外，大部分來自于互聯(lián)網(wǎng)，難免引用不全或論述不準，敬請諒解，并與作者聯(lián)系，提出批評及意見。）

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