基于OMAP的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)處理器的設計與實(shí)現

　　無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )是計算技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結合的產(chǎn)物。傳感網(wǎng)應用場(chǎng)合非常廣泛，節點(diǎn)也可以搭載不同類(lèi)型的傳感器。當節點(diǎn)自身搭載的傳感器為震動(dòng)、磁傳感器時(shí)，采集到的數據量較小，處理簡(jiǎn)單，目前的傳感網(wǎng)節點(diǎn)(如Mica節點(diǎn))就可以滿(mǎn)足需要。但當節點(diǎn)集成圖像傳感器、紅外傳感器等大數據量傳感器對傳感數據網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)要求相當高時(shí)，現有的節點(diǎn)受處理及存儲能力的限制無(wú)法滿(mǎn)足要求。

　　本文主要分析在設計較高處理及存儲能力傳感節點(diǎn)時(shí)，如何滿(mǎn)足傳感網(wǎng)節點(diǎn)低功耗和高處理能力間的平衡關(guān)系，并介紹基于OMAP處理器的節點(diǎn)處理器部分的實(shí)現方案。

　　1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)功耗分析

　　首先對節點(diǎn)各模塊與處理器模塊的功耗關(guān)系進(jìn)行分析。

　　依照功能，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)在硬件上分為數據采集模塊、數據處理模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、供電模塊。圖1為其節點(diǎn)示意圖。

　　圖中虛線(xiàn)表示處理器模塊所涉及的功能，它負責數據處理模塊的全部工作及數據采集模塊與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的部分工作。其中數據處理模塊主要由處理器與存儲器組成。若處理器不搭配存儲器，則在分析功耗時(shí)，只對處理器模塊進(jìn)行分析即可。

　　下面對各模塊進(jìn)行功耗分析。

　　(1)數據采集模塊

　　數據采集模塊通過(guò)傳感器采集外界數據并存儲。處理器模塊主要是配合傳感器工作，并進(jìn)行數據存儲。

　　(2)數據處理模塊

　　數據處理模塊是處理器的主要工作模塊。在工作態(tài)內，處理器模塊的主要工作為數據采集、數據處理及數據傳送。在數據處理階段，處理器又負責模式識別、協(xié)議處理以及通信相關(guān)的三類(lèi)任務(wù)。

　　在選擇數據處理階段的算法時(shí)，應考慮功耗問(wèn)題。在達到系統要求的情況下，算法應盡可能簡(jiǎn)化。

　　值得注意的是：選擇簡(jiǎn)單的通信相關(guān)算法可能使接收部分的性能下降，只能通過(guò)增加無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的發(fā)射能量來(lái)補償，使整個(gè)節點(diǎn)的功耗增加。

　　該模塊的設計原則：①數據處理部分軟件盡量簡(jiǎn)化;②工作態(tài)和待機態(tài)功耗應盡量降低;③通信相關(guān)的算法會(huì )影響到無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的功耗，應整體考慮后再選擇。

　　(3)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

　　由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊工作時(shí)需要處理器配合，將數據與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊交互。因此工作時(shí)間內，必須考慮處理器模塊的功耗。

　　以上分析了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)中的各個(gè)模塊在工作態(tài)時(shí)與處理器模塊的關(guān)系。下面利用上述結論，針對基于OMAP芯片的節點(diǎn)處理器的設計進(jìn)行具體分析。

　　2 基于OMAP的節點(diǎn)處理器的低功耗設計

　　2.1 功耗與處理主頻的關(guān)系

　　下面根據OMAP5912的電流/處理速率比分析節點(diǎn)的功耗與處理器主頻的關(guān)系。OMAP為雙核處理器，對兩個(gè)核的功耗、計算能力要分別考慮。

　　2.1.1 OMAP內部雙核間的任務(wù)分配

　　OMAP5912中的DSP核為C5x系列的5510，ARM核為ARM926EJ。其中DSP核有內部乘加器且具有并行執行語(yǔ)句的特點(diǎn)，在進(jìn)行大數據量的數值運算時(shí)效率極高。以FFT為例，1024點(diǎn)的FFT程序在A(yíng)RM端的計算量約為1M條指令，在A(yíng)RM核現有的流水線(xiàn)機制下，要花費1M指令周期。而在DSP核中運算時(shí)，由于程序可根據DSP內部的硬件結構優(yōu)化，整個(gè)運算只消耗40K指令周期。所以主要的數值處理計算應該在OMAP內部的DSP核內計算，而ARM核負責處理協(xié)議上層邏輯性較強的部分。

　　2.1.2 OMAP核的電流/主頻比

　　芯片的電流消耗與其運行的主頻成線(xiàn)性關(guān)系，工作頻率越高，電流就越大。

　　根據實(shí)測值，OMAP內部DSP核的電流值與DSP主頻的關(guān)系約為：

　　IDSP=(25+0.3×FDSP)mA (1)

　　其內部ARM核的電流值與ARM核主頻的關(guān)系約為：

　　IARM=(20+0.2×FARM)mA (2)

　　兩個(gè)核的電流/頻率示意圖如圖2所示。

　　由圖2可知：DSP核的功耗略大于A(yíng)RM核的功耗，而且主頻越高越明顯。

　　2.1.3 OMAP核工作頻率的選擇

　　下面介紹OMAP兩個(gè)核工作頻率的選擇。此處引入一個(gè)變量M，代表一個(gè)處理器完成某項運算所需要的指令周期數。

　　(1)DSP核的頻率選擇分析

　　設DSP核所承擔的任務(wù)共需要MDSP，則DSP核完成此工作所消耗的能量為：

　　EDSP=Pworking×Tworking

　　=(VDSP×MDSP×0.3+VDSP×MDSP×25/FDSP)mJ (3)

　　對式(3)求EDSP對FDSP的導數得：

　　EDSP′=-VDSP×MDSP×25/(FDSP)2(4)

　　由于FDSP∈(0MHz，192MHz]，在此區間內EDSP′≠0，即函數無(wú)極值。由于EDSP′<0，所以當FDSP=192MHz時(shí)，EDSP得到最小值：

　　EDSP_min=(VDSP×MDSP×0.43)mJ (5)

　　(2)ARM核的頻率選擇分析

　　進(jìn)行類(lèi)似上面的分析，并滿(mǎn)足剛好在TDSP_pro時(shí)間內完成MARM的運算量處理時(shí)，ARM的能耗EARM最小。

　　此時(shí)：FARM=FDSP×MARM/MDSP(6)

　　(3)工作頻率選擇的結論

　?、僭谙哪芰孔钌俚脑瓌t下，當DSP核運算時(shí)，應選擇全速運行。運算結束后，馬上由ARM核將其轉入被動(dòng)模式。

　　ARM核根據選擇的算法，估算MDSP與MARM的關(guān)系，根據式(7)進(jìn)行具體計算。

　?、谠诓杉瘮祿蛿祿鬟f階段，應盡量選擇低主頻，以達到功耗最低的目的。

　　2.1.4 節點(diǎn)方案中各狀態(tài)的設計

　　根據節點(diǎn)處理器模塊的狀態(tài)，分為待機狀態(tài)和工作狀態(tài)。其中工作狀態(tài)又根據功能的不同分為數據采集、數據處理和數據傳送三個(gè)階段。

　　各狀態(tài)的轉換關(guān)系如圖3所示。

　　當節點(diǎn)處于各狀態(tài)時(shí)，處理器的主頻及任務(wù)如下：

　　(1)節點(diǎn)待機態(tài)時(shí)，處理器內部ARM核及DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　(2)數據采集階段時(shí)，處理器內部的ARM核處于工作狀態(tài)，FARM=2MHz;DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　處理器模塊的任務(wù)：ARM核將A/D從傳感器處采集到的數據讀入內部存儲區。

　　(3)數據處理階段時(shí)，處理器中ARM核處于工作狀態(tài)，FARM=2MHz;DSP核處于工作狀態(tài)，FDSP=192MHz。

　　處理器模塊的任務(wù)：ARM核協(xié)議處理，包括組幀、解幀。DSP核的模式識別中待發(fā)送的數據量為320bit;圖像壓縮中待發(fā)送的數據量為95Kbit。與通信相關(guān)的處理包括調制解調、信道編解碼。

　　(4)數據傳送階段時(shí)，處理器內部ARM核處于工作狀態(tài)FARM=2MHz，DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　處理器模塊的任務(wù)是配合無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊傳送數據。