?? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）是由大量節(jié)點(diǎn)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(jì)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(duì)信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),，由嵌入式微處理器對(duì)信息進(jìn)行加工處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶。在國(guó)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(cè),、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐,、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)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(gè)全新的方向,，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[i],。國(guó)外的許多大學(xué)和研究機(jī)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(guó)加州大學(xué)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(shí)驗(yàn)室[ii],，它的目標(biāo)是為美國(guó)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(diǎn)的研制。這項(xiàng)工作從1998年開始到2001年結(jié)束,，受到了美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA：The Defense Advanced Research Projects Agency）的支持,。在隨后的幾年里，加州大學(xué)伯克利分校有多個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室,，從不同的角度對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量具有開創(chuàng)性的研究。

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??? 美國(guó)很多大學(xué)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面開展了大量工作,。如加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的CENS（Center for Embedded Networked Sensing)實(shí)驗(yàn)室[vii],、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)實(shí)驗(yàn)室[viii]、NESL（Networked and Embedded Systems Laboratory）實(shí)驗(yàn)室[ix],、LECS（Laboratory for Embedded Collaborative Systems）實(shí)驗(yàn)室[x],、IRL（Internet Research Lab)[xi]等。另外,，麻省理工學(xué)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(xué)（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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[xiv],； 賓漢頓大學(xué)（Binghamton University）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室在移動(dòng)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(jì)等方面做了很多研究工作[xv],；州立克利夫蘭大學(xué)（俄亥俄州）（Cleveland State University, Ohio –CSU Ohio）的移動(dòng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室在基于IP的移動(dòng)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(jìn)行了研究[xvi]。另外,，北亞利桑那大學(xué)（Northern Arizona University）的無線網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)室（Wireless Network Research Lab, WNRL)[xvii],、萊斯大學(xué)（Rice University）

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??? 多媒體通信實(shí)驗(yàn)室的無線個(gè)人局域網(wǎng)工作組[xviii]；斯坦福（Stanford）大學(xué)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[xix],、新澤西（New Jersey）州立大學(xué)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[xx],、伊利諾伊大學(xué)厄本那－香檳分校（UIUC）的TIMELY實(shí)驗(yàn)室[xxi]、南加州大學(xué)的RESL（The Robotic Embedded Systems Laboratory）實(shí)驗(yàn)室[xxii],、佛蒙特大學(xué)(University of Vermont)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[xxiii],、西密西根大學(xué)（Western Michigan University）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室[xxiv]。此外新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS1）技術(shù)方面良好的基礎(chǔ)，自從1998年就對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)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(yáng)自動(dòng)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(duì)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)院[xxviii]于2004年10月正式啟動(dòng)了關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的研究,；另外中科院軟件所,、中科院自動(dòng)化所、國(guó)防科技大學(xué),、清華大學(xué),、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),、哈爾濱工業(yè)大學(xué),、北京郵電大學(xué)、山東大學(xué),、東南大學(xué)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(guó)內(nèi)的水平相對(duì)國(guó)外落后,，在點(diǎn)上的研究較多,，缺少對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究，具有自主知識(shí)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(gè)部分,，跨越多個(gè)領(lǐng)域，而且國(guó)際上對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究也只有短短的幾年時(shí)間,，現(xiàn)有的絕大部分研究和設(shè)計(jì)都是各領(lǐng)域的成熟模塊的板級(jí)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(diǎn)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(shí)際需求出發(fā),，開發(fā)出專用的核心片上系統(tǒng)芯片,，并進(jìn)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(jì)算所的工作就是在此基礎(chǔ)上展開的,，目的是通過對(duì)以上各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)的詳盡研究,，設(shè)計(jì)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微處理器芯片和節(jié)點(diǎn)，進(jìn)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(gè)重要優(yōu)勢(shì)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(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵因素,。因?yàn)槿绻仨殨r(shí)常更換電池（例如每周或每月）,，那么相關(guān)的各種成本便會(huì)超過它相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的成本。因此,，電池必須具有較長(zhǎng)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(shí)隨地?zé)o線”和“隨時(shí)隨地感知”,，減小節(jié)點(diǎn)尺寸也是必須考慮的設(shè)計(jì)要素,。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來說，很多時(shí)候即使采用AA電池也會(huì)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(chǎng)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(shí)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(diǎn)的核心部件。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)藍(lán)皮書中的統(tǒng)計(jì)報(bào)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(jì)算僅占處理器市場(chǎng)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(jì)數(shù)字表明,，平均每個(gè)美國(guó)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(gè)系列，國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品占領(lǐng),。無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shì),，我們針對(duì)大部分嵌入式處理器的特點(diǎn),，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(chǎng)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(zhēng)相投資的對(duì)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(xué)伯克利分校技術(shù)發(fā)展而來。前者主要針對(duì)航空電子,、交通運(yùn)輸,、無人探測(cè)、環(huán)境監(jiān)控,、測(cè)控測(cè)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(diǎn)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(píng)為2004年度TOP100發(fā)明獎(jiǎng)。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(cè)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(guó)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(jìn)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(shí)還沒有公司能夠真正進(jìn)入市場(chǎng)并盈利,。

??? 嵌入式微處理器本身的市場(chǎng)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(chǎng)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(guó)的嵌入式微處理器芯片的市場(chǎng)需求量已達(dá)1-3億片,，近幾年來，每年以大約20%的速度在飛速增長(zhǎng),，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用處理器市場(chǎng),，低功耗微處理器具有廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景。

4 低功耗微處理器設(shè)計(jì)

??? 中科院計(jì)算所正致力于具有自主知識(shí)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(duì)列的消息處理機(jī)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(dòng)態(tài)功耗管理機(jī)制,、事件驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),、基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化機(jī)制等方面取得了一定的進(jìn)展。同時(shí),，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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)的硬件一般包括傳感器﹑微處理器和無線收發(fā)器等三個(gè)功能部分,，其中微處理器是核心處理部件,，提供了整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。出于低功耗設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)五級(jí)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(chǔ)器、32個(gè)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(jìn)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(jì)算資源的框圖，不包括功耗管理機(jī)制和硬件加密部分,。

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圖1 低功耗微處理器主要計(jì)算資源

????我們?cè)O(shè)計(jì)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(zhǎng)指令，也有部分為32位,，主要為長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)RISC指令,，包括各種算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令,、跳轉(zhuǎn)指令等,，是微處理器的主要計(jì)算資源；第二,、加密專用指令,，包括：隨機(jī)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(diǎn)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(dá)到對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)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(shí)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(dòng)專用指令,，主要用于消息隊(duì)列的設(shè)置與管理,、動(dòng)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(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)的始終,，不但體現(xiàn)在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì),、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(jì)的各個(gè)層次中,。我們所使用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)包括：基于事件消息隊(duì)列驅(qū)動(dòng)的低功耗微處理器系統(tǒng)架構(gòu)、采用通路平衡實(shí)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(dòng)態(tài)功耗管理機(jī)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(jì)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(jí)和系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)方面：用戶級(jí)一般通過對(duì)稱或非對(duì)稱密鑰加密,；系統(tǒng)級(jí)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(shí)現(xiàn)硬件加密指令，主要包括：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、DES,、RSA,、AES、指紋產(chǎn)生等功能模塊,。我們的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于對(duì)加密算法,，特別是密鑰的產(chǎn)生機(jī)制的進(jìn)一步研究。

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??? 網(wǎng)絡(luò)安全一般是通過對(duì)稱和非對(duì)稱加密體系來保證的,。對(duì)于非對(duì)稱密碼算法,，我們的目標(biāo)是：根據(jù)硬件計(jì)算資源的有限和低功耗的特性，使設(shè)計(jì)的算法快速,、安全,。為此，我們打算進(jìn)一步研究中國(guó)剩余定理和不定方程,，構(gòu)造出NP13問題,，由此設(shè)計(jì)出非對(duì)稱密碼算法。在這方面,，我們已研究過利用對(duì)稱群和非對(duì)稱群,，構(gòu)造出一個(gè)非對(duì)稱密碼算法，下一步需要進(jìn)一步對(duì)該算法進(jìn)行研究,，分析它的安全性并進(jìn)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(shí)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(gè)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(dá)到對(duì)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(jì)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(jī)數(shù)）等基本運(yùn)算,。它們是實(shí)現(xiàn)以上對(duì)稱和非對(duì)稱加密體系的基礎(chǔ)，也是我們用戶級(jí)和系統(tǒng)級(jí)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(dòng)態(tài)功耗管理

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??? 動(dòng)態(tài)功耗管理（Dynamic Power Management）策略可廣泛使用于手機(jī)、筆記本電腦,、PDA等電池供電的移動(dòng)設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì),，這些應(yīng)用的核心處理部件設(shè)計(jì)了可以在功耗和性能之間進(jìn)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(duì)處理資源的變化,，動(dòng)態(tài)地讓硬件系統(tǒng)在這些不同的狀態(tài)之間進(jìn)行切換,，從而在保證給用戶提供必要的性能的同時(shí)，可以很大程度上降低功耗,。圖3是兩狀態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗管理一般原理圖,。外部不同應(yīng)用的服務(wù)請(qǐng)求輸入給硬件系統(tǒng)形成任務(wù)隊(duì)列,。在沒有功耗管理的系統(tǒng)中這些任務(wù)直接交由計(jì)算資源進(jìn)行處理,，任務(wù)完成即進(jìn)入空閑狀態(tài)。圖中所示系統(tǒng)中由于動(dòng)態(tài)管理單元加入,，功耗管理策略會(huì)根據(jù)任務(wù)隊(duì)列中的資源需求情況,，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)資源分配及調(diào)度順序，在適當(dāng)時(shí)候讓系統(tǒng)中的耗電較多的運(yùn)算部件部分甚至全部進(jìn)入極低功耗模式,，只保留時(shí)鐘頻率低,、耗電量小的功耗管理單元對(duì)所有任務(wù)隊(duì)列的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)⑻幱谛菝郀顟B(tài)的運(yùn)算部件喚醒,，完成各種服務(wù)請(qǐng)求,。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)絕大部分時(shí)間處于偵聽狀態(tài)，其間,，動(dòng)態(tài)功耗管理策略可以讓其大部分計(jì)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(jì)中,，不但以硬件形式實(shí)現(xiàn)了以上的動(dòng)態(tài)功耗管理策略,，還專門設(shè)計(jì)了控制各種運(yùn)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(dòng)態(tài)功耗管理思想。在實(shí)現(xiàn)過程中,，我們使用了時(shí)鐘門控和電源門控技術(shù),。它們是通過控制信號(hào)在需要的時(shí)候截?cái)嚯娐返臅r(shí)鐘或電源，從而可以大幅度減小耗電,。當(dāng)然在電路設(shè)計(jì)中這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都要面對(duì)一定的挑戰(zhàn),。特別是電源門控技術(shù)，它們可能會(huì)給邏輯綜合,、物理設(shè)計(jì),、測(cè)試驗(yàn)證及可測(cè)試性設(shè)計(jì)等帶來一系列問題,，都需要認(rèn)真加以解決。

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4.4 事件驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

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??? 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),，它體現(xiàn)在很多對(duì)實(shí)時(shí)性有要求的應(yīng)用中,。在面向事件驅(qū)動(dòng)的微處理器上配備相應(yīng)的基于事件驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以使得整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到很好的實(shí)時(shí)性，所以我們結(jié)合節(jié)點(diǎn)的硬件資源及應(yīng)用背景,，在研究μC/OSII,、RTLinux、μCLinux等多個(gè)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,，借鑒并吸收它們的優(yōu)點(diǎn),，開發(fā)了具有自主產(chǎn)權(quán)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)呈現(xiàn)為各個(gè)獨(dú)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(jī)模塊、時(shí)間管理模塊,、內(nèi)存管理模塊,、中斷管理模塊、驅(qū)動(dòng)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?cè)谌蝿?wù)處理中采用層次狀態(tài)機(jī)機(jī)制，每次任務(wù)運(yùn)行時(shí)查看有無待處理的事件,。如果有,，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，并進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài),?；跔顟B(tài)機(jī)的處理使每個(gè)任務(wù)運(yùn)行劃分為更小的狀態(tài)處理，極大地改善了事件響應(yīng)時(shí)間,，而且使事件處理更規(guī)范,，不容易出錯(cuò)。另外在存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)內(nèi)存管理，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致大量?jī)?nèi)存碎片的產(chǎn)生,，不利于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,。但對(duì)于某些應(yīng)用，提供可供選擇的固定塊大小的動(dòng)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(dòng)靜態(tài)相結(jié)合的存儲(chǔ)器管理策略,，獲得了較好的存儲(chǔ)性能。

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4.5 基于調(diào)用圖的全局編譯優(yōu)化機(jī)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(diǎn),。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(gè)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(shí)際運(yùn)行的程序集合是固定的，因此對(duì)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(gè)過程,，對(duì)于過程間的分析進(jìn)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(jìn)行最保守估計(jì),。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(shí)間,，并且可以使編譯器的調(diào)度優(yōu)化區(qū)域得到擴(kuò)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(diǎn)出發(fā)，遍歷調(diào)用圖,，對(duì)不在此調(diào)用圖中的過程標(biāo)記為死節(jié)點(diǎn),。在最終程序中不包含死節(jié)點(diǎn)，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(gè)文件和單個(gè)過程的缺點(diǎn),。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)間,，并且可以使編譯器的調(diào)度優(yōu)化區(qū)域得到擴(kuò)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(jì)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(jì)

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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(diǎn)就是一個(gè)LPS）按設(shè)計(jì)層次分為軟件設(shè)計(jì)、主板設(shè)計(jì)和處理器設(shè)計(jì),。按任務(wù)分為軟件設(shè)計(jì),、主板設(shè)計(jì)、低功耗微處理器設(shè)計(jì),、設(shè)計(jì)驗(yàn)證,、可測(cè)試性設(shè)計(jì)。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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5中所示,。星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單跳（single-hop）系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信（圖5中A）,?；究梢允且慌_(tái)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(diǎn)基本相同,。除了向各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將基站作為一個(gè)中間點(diǎn),，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(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多跳系統(tǒng),，其中所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)都相同，而且直接互相通信,，與基站進(jìn)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有多條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點(diǎn)，因此它的容故障能力較強(qiáng),。多跳系統(tǒng)比星狀網(wǎng)的傳輸距離遠(yuǎn)得多,，但功耗也更大，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(jiǎn)潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸距離和自愈性等優(yōu)點(diǎn)（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(diǎn)則在它們周圍呈星狀分布,，中繼器擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時(shí)提供了容故障能力,。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)可與多個(gè)路由器或中繼器通信,，當(dāng)某個(gè)中繼器發(fā)生故障或某條無線鏈路出現(xiàn)干擾時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可在其它路由器周圍進(jìn)行自組,。

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圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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5 低功耗微處理器研究進(jìn)展

??? 我們進(jìn)行面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗微處理器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是完成具有自主知識(shí)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(diǎn)的研制；完成基于自主開發(fā)的無線傳感節(jié)點(diǎn)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(jì),、嵌入式軟件設(shè)計(jì)、無線通信協(xié)議定制等方面有一定的創(chuàng)新,，并進(jìn)一步形成自己完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán),。

??? 下面簡(jiǎn)單介紹微處理器的技術(shù)及實(shí)現(xiàn)參數(shù)：
5.1 本項(xiàng)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(gè)通用寄存器,、64個(gè)I/O控制寄存器
• 片內(nèi)128KB程序存儲(chǔ)器,、4KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(可外擴(kuò)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(shí)鐘源及計(jì)數(shù)器
• 可編程RTC17,、看門狗,、時(shí)鐘源及計(jì)數(shù)器
• 8通道10位ADC
• 可編程PWM18
  

??? c) 先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)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(zhǔn),，敬請(qǐng)諒解,，并與作者聯(lián)系，提出批評(píng)及意見,。）

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