基于OMAP的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。傳感網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，節(jié)點(diǎn)也可以搭載不同類型的傳感器。當(dāng)節(jié)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(shù)據(jù)量較小，處理簡單，目前的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(如Mica節(jié)點(diǎn))就可以滿足需要。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)集成圖像傳感器、紅外傳感器等大數(shù)據(jù)量傳感器對(duì)傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)要求相當(dāng)高時(shí)，現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)受處理及存儲(chǔ)能力的限制無法滿足要求。

　　本文主要分析在設(shè)計(jì)較高處理及存儲(chǔ)能力傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，如何滿足傳感網(wǎng)節(jié)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(jié)點(diǎn)處理器部分的實(shí)現(xiàn)方案。

1 無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗分析

　　首先對(duì)節(jié)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，無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在硬件上分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊、供電模塊。圖1為其節(jié)點(diǎn)示意圖。

　　圖中虛線表示處理器模塊所涉及的功能，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理模塊的全部工作及數(shù)據(jù)采集模塊與無線收發(fā)模塊的部分工作。其中數(shù)據(jù)處理模塊主要由處理器與存儲(chǔ)器組成。若處理器不搭配存儲(chǔ)器，則在分析功耗時(shí)，只對(duì)處理器模塊進(jìn)行分析即可。

　　下面對(duì)各模塊進(jìn)行功耗分析。

　　(1)數(shù)據(jù)采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集模塊通過傳感器采集外界數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。處理器模塊主要是配合傳感器工作，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　(2)數(shù)據(jù)處理模塊
　　數(shù)據(jù)處理模塊是處理器的主要工作模塊。在工作態(tài)內(nèi)，處理器模塊的主要工作為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)傳送。在數(shù)據(jù)處理階段，處理器又負(fù)責(zé)模式識(shí)別、協(xié)議處理以及通信相關(guān)的三類任務(wù)。
 
　　在選擇數(shù)據(jù)處理階段的算法時(shí)，應(yīng)考慮功耗問題。在達(dá)到系統(tǒng)要求的情況下，算法應(yīng)盡可能簡化。

　　值得注意的是：選擇簡單的通信相關(guān)算法可能使接收部分的性能下降，只能通過增加無線收發(fā)模塊的發(fā)射能量來補(bǔ)償，使整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗增加。

　　該模塊的設(shè)計(jì)原則：①數(shù)據(jù)處理部分軟件盡量簡化；②工作態(tài)和待機(jī)態(tài)功耗應(yīng)盡量降低；③通信相關(guān)的算法會(huì)影響到無線收發(fā)模塊的功耗，應(yīng)整體考慮后再選擇。
 
　　(3)無線收發(fā)模塊
　　由于無線收發(fā)模塊工作時(shí)需要處理器配合，將數(shù)據(jù)與無線收發(fā)模塊交互。因此工作時(shí)間內(nèi)，必須考慮處理器模塊的功耗。

　　以上分析了無線傳感網(wǎng)節(jié)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(jié)論，針對(duì)基于OMAP芯片的節(jié)點(diǎn)處理器的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。

2 基于OMAP的節(jié)點(diǎn)處理器的低功耗設(shè)計(jì)

　　2.1 功耗與處理主頻的關(guān)系

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

　　2.1.1 OMAP內(nèi)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(nèi)部乘加器且具有并行執(zhí)行語句的特點(diǎn)，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的數(shù)值運(yùn)算時(shí)效率極高。以FFT為例，1024點(diǎn)的FFT程序在ARM端的計(jì)算量約為1M條指令，在ARM核現(xiàn)有的流水線機(jī)制下，要花費(fèi)1M指令周期。而在DSP核中運(yùn)算時(shí)，由于程序可根據(jù)DSP內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，整個(gè)運(yùn)算只消耗40K指令周期。所以主要的數(shù)值處理計(jì)算應(yīng)該在OMAP內(nèi)部的DSP核內(nèi)計(jì)算，而ARM核負(fù)責(zé)處理協(xié)議上層邏輯性較強(qiáng)的部分。

　　2.1.2 OMAP核的電流/主頻比
　　芯片的電流消耗與其運(yùn)行的主頻成線性關(guān)系，工作頻率越高，電流就越大。

　　根據(jù)實(shí)測(cè)值，OMAP內(nèi)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(nèi)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ARM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(xiàng)運(yùn)算所需要的指令周期數(shù)。

　　(1)DSP核的頻率選擇分析
　　設(shè)DSP核所承擔(dān)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(duì)式(3)求EDSP對(duì)FDSP的導(dǎo)數(shù)得：
EDSP′=-VDSP×MDSP×25/(FDSP)2(4)

　　由于FDSP∈(0MHz，192MHz]，在此區(qū)間內(nèi)EDSP′≠0，即函數(shù)無極值。由于EDSP′<0，所以當(dāng)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)行類似上面的分析，并滿足剛好在TDSP_pro時(shí)間內(nèi)完成MARM的運(yùn)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(jié)論
　　①在消耗能量最少的原則下，當(dāng)DSP核運(yùn)算時(shí)，應(yīng)選擇全速運(yùn)行。運(yùn)算結(jié)束后，馬上由ARM核將其轉(zhuǎn)入被動(dòng)模式。

　　ARM核根據(jù)選擇的算法，估算MDSP與MARM的關(guān)系，根據(jù)式(7)進(jìn)行具體計(jì)算。

　　②在采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳遞階段，應(yīng)盡量選擇低主頻，以達(dá)到功耗最低的目的。

　　2.1.4 節(jié)點(diǎn)方案中各狀態(tài)的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理器模塊的狀態(tài)，分為待機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)。其中工作狀態(tài)又根據(jù)功能的不同分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳送三個(gè)階段。
 
　　各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于各狀態(tài)時(shí)，處理器的主頻及任務(wù)如下：

　　(1)節(jié)點(diǎn)待機(jī)態(tài)時(shí)，處理器內(nèi)部ARM核及DSP核處于睡眠狀態(tài)。

　　(2)數(shù)據(jù)采集階段時(shí)，處理器內(nèi)部的ARM核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)ARM=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(shù)據(jù)讀入內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)。

　　(3)數(shù)據(jù)處理階段時(shí)，處理器中ARM核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)ARM=2MHz；DSP核處于工作狀態(tài)，F(xiàn)DSP=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(shí)別中待發(fā)送的數(shù)據(jù)量為320bit；圖像壓縮中待發(fā)送的數(shù)據(jù)量為95Kbit。與通信相關(guān)的處理包括調(diào)制解調(diào)、信道編解碼。

　　(4)數(shù)據(jù)傳送階段時(shí)，處理器內(nèi)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)是配合無線收發(fā)模塊傳送數(shù)據(jù)。

　　各工作狀態(tài)耗費(fèi)電流如表1。