專利名稱：一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點專用處理器的制作方法
一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點專用處理器方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 上專用處理器。背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensor Network, WSN)是由大量傳感器 節(jié)點通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸 應(yīng)用。它是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳 自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測信息，并發(fā)送給觀察 者。無線傳感器網(wǎng)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)， 具有低成本、微型化、低功耗等特點。傳感器節(jié)點的功耗、體積和成本是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計考慮的主要問題，目 前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般采用通用處理器，由于通用處理器沒有專門針對無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境做過優(yōu)化，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法主要由軟件實現(xiàn)，效率較低，在功耗 和體積等方面難以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要，影響了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用推因此，結(jié)合傳感器節(jié)點應(yīng)用實際進行專用設(shè)計，設(shè)計具有低功耗、低成本、高集成、 高性能、智能化以及微型化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用處理器，符合技術(shù)發(fā)展的趨勢。這也為無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是改進目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的通用處理器效率低、功耗 大、運算速度慢、軟件編程復(fù)雜等問題，從而提出一種適用于無線傳器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的專用處理
ο為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的專用處理器， 包括(1)算術(shù)邏輯指令模塊、(2)位操作指令模塊、(3)寄存器模塊、(4)數(shù)據(jù)存取指令模 塊、(5)控制寄存器模塊、(6)休眠與時鐘管理指令模塊、(7)射頻接口模塊、(S)MAC協(xié)議指 令模塊其中，所有的模塊均通過總線連接，在處理器工作時，根據(jù)從程序存儲器中獲取的 指令，確定源地址和目標地址，總線根據(jù)指令設(shè)置上述信號，完成數(shù)據(jù)的傳輸，而運算過程 發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸過程中。上述技術(shù)方案中，所述的(1)算術(shù)邏輯指令模塊、(2)位操作指令模塊、(3)寄存器 模塊、(4)數(shù)據(jù)存取指令模塊、(5)控制寄存器模塊構(gòu)成了處理器最基本的功能，完成和通 用處理器類似的運算功能。上述技術(shù)方案中，所述的(6)休眠與時鐘管理指令模塊實現(xiàn)處理器的休眠和喚 醒、從而起到降低功耗的目的。上述技術(shù)方案中，所述的(7)射頻接口模塊在所述(S)MAC協(xié)議指令模塊的控制 下，與射頻芯片進行通信，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、調(diào)制解調(diào)模式、發(fā)射功率調(diào)整、發(fā)射頻率 調(diào)整等功能。
上述技術(shù)方案中，所述的(S)MAC協(xié)議指令模塊在指令控制下設(shè)定調(diào)制解調(diào)模式、 發(fā)射功率、發(fā)射頻率等，并對數(shù)據(jù)包進行封裝和解析、發(fā)射時實現(xiàn)沖突檢測——避免機制， 在MAC模塊工作時，其他模塊可以休眠。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的專用處理器將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用頻 率很高的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及信號處理的算法用硬件邏輯來實現(xiàn)，發(fā)揮硬件邏輯的高效性，節(jié)省 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗。2、本發(fā)明用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的專用處理器根據(jù)軟件調(diào)度各模塊，通過編 寫不同的軟件，可以用不同的方法調(diào)度硬件模塊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)等功能，發(fā)揮了 軟件的靈活性。

圖1為本發(fā)明的一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點專用處理器結(jié)構(gòu) 圖。
具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明的一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用處理器包括 ⑴算術(shù)邏輯指令模塊，⑵位操作指令模塊，⑶寄存器模塊，⑷數(shù)據(jù)存取指令模塊，(5) 控制寄存器模塊，(6)休眠與時鐘管理指令模塊，(7)射頻接口模塊，(S)MAC協(xié)議指令模塊。其中，所有的模塊均通過總線連接，總線包括source_sel，dest_sel, source_ addr, dest_addr, data_in, data_out, interrupt等信號，分別表示源選擇、目標選擇、源地 址、目標地址、源數(shù)據(jù)輸入、目標數(shù)據(jù)輸出、中斷請求等。而(7)射頻接口模塊通過SPI接口 與射頻模塊相連，(4)數(shù)據(jù)存取指令模塊通過外部總線與存儲器相連。每條指令實際上都是一個傳送操作，每條指令長度為2個字節(jié)，每條指令都可劃 分為三個字段源(SOURCE)指定數(shù)據(jù)從何處移出；目標(DESTINATION)指定數(shù)據(jù)傳送到何 處；格式位則指明源是一個立即數(shù)，還是一個寄存器標示，其格式見表1。表1指令格式 (1)算術(shù)邏輯指令模塊提供了加法、帶進位加法、減法、帶借位減法、位或、位異或、 位與、位非、算術(shù)左移、邏輯左移、算術(shù)右移、邏輯右移、位交換、字節(jié)交換等功能，其中不同 功能根據(jù)源地址、目的地址和源與目的選擇信號進行區(qū)別。(2)位操作指令模塊通過源地址或目的地址尋址操作數(shù)中的特定位，進而對指定 位進行置位、清零和取反等操作。(3)寄存器模塊提供16個16位寄存器，每個寄存器可以單周期寫入或讀取，其中， 累加器指針寄存器所指向的寄存器被指定為“有效累加器”，成為算術(shù)邏輯指令的目標寄存 器。因此，通過改變累加器指針寄存器的值，這十六個寄存器當(dāng)中的任意一個均可被指定為 算術(shù)邏輯指令的操作目標。
(4)數(shù)據(jù)存取指令模塊包括指令指針、堆棧指針、兩個可自增減的數(shù)據(jù)指針和一個 包括基址與偏移量的數(shù)據(jù)指針構(gòu)成，根據(jù)地址的不同，訪問這個模塊將執(zhí)行一個直接或間 接加載，或者存儲操作，并可能在間接訪問后遞增或遞減數(shù)據(jù)指針。(5)控制寄存器模塊包括累加器指針寄存器、中斷請求寄存器、時鐘選擇寄存器、 標志位寄存器等，通過這些寄存器，可以對程序流程、中斷處理、系統(tǒng)時鐘輸入、及累計器選 擇等功能進行控制。(6)休眠與時鐘管理指令模塊包括門控時鐘寄存器，休眠周期寄存器，喚醒掩碼寄 存器等，由于一個周期里只有源和目的模塊工作，其他模塊可以休眠以節(jié)省功耗，因此，使 用門控時鐘寄存器關(guān)閉非活動模塊時鐘進而達到節(jié)能的目的。休眠周期寄存器適用于基于 時分復(fù)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要定期休眠喚醒的應(yīng)用場合，系統(tǒng)休眠一定時鐘周期或遇 到中斷信號時被喚醒，較大地降低了系統(tǒng)功耗。(7)射頻接口模塊通過SPI接口與射頻模塊連接，接收MAC模塊傳來的數(shù)據(jù)，并復(fù) 雜產(chǎn)生對射頻模塊的控制字。此外，當(dāng)射頻模塊接收到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷信號喚醒處理器， 通知MAC模塊進行接收。(S)MAC協(xié)議指令模塊在程序的控制下設(shè)定工作頻率、發(fā)送功率和調(diào)制解調(diào)模式 等。在沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，MAC協(xié)議指令模塊根據(jù)協(xié)議，通過射頻接口模塊控制射頻模塊在 接收和休眠兩種模式之間的切換。在接收模式時，MAC協(xié)議指令模塊根據(jù)信號強度和解調(diào) 后的信號內(nèi)容來判斷數(shù)據(jù)的有效性，并獲取數(shù)據(jù)載荷。當(dāng)處于發(fā)射模式時，它首先將偵聽信 道，當(dāng)判斷目前信道為空時，才發(fā)射數(shù)據(jù)，否則等待隨機時間再次監(jiān)聽，直到信道空閑為止。 在有信標的網(wǎng)絡(luò)中，還可以在網(wǎng)關(guān)分配的時隙內(nèi)進行發(fā)送操作。上述的(7)射頻接口模塊和(S)MAC協(xié)議指令模塊完成了無線網(wǎng)絡(luò)從物理層和MAC 層的工作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這些操作的使用頻率很高，將這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議硬件化，一方 面提高了能效比，節(jié)省了功耗，另一方面處理器可以并行處理底層任務(wù)的速度加快，提高了 處理器的能力，真正實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理器的低功耗、低成本、高集成、高性能、智能 化等特點。
權(quán)利要求
一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的專用處理器，包括(1)算術(shù)邏輯指令模塊、(2)位操作指令模塊、(3)寄存器模塊、(4)數(shù)據(jù)存取指令模塊、(5)控制寄存器模塊、(6)休眠與時鐘管理指令模塊、(7)射頻接口模塊、(8)MAC協(xié)議指令模塊；其中，所有模塊之間通過總線連接，每條指令指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂泛湍康牡刂?，根?jù)特定指令，將數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳輸，在模塊間的傳輸過程中進行運算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用處理器，其特征在于，使用傳輸觸發(fā)架 構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)的指令譯碼器，結(jié)構(gòu)簡單，指令模塊化，易于擴充和修改，同一時刻只有部分 指令單元工作，可降低功耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用處理器，其特征在于，使用專用的MAC協(xié) 議指令模塊(8)對MAC協(xié)議進行處理，降低了功耗，并通過專用低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)防議 實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。
全文摘要
一種基于傳輸觸發(fā)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點專用處理器，該專用處理器包括(1)算術(shù)邏輯指令模塊、(2)位操作指令模塊、(3)寄存器模塊、(4)數(shù)據(jù)存取指令模塊、(5)控制寄存器模塊、(6)休眠與時鐘管理指令模塊、(7)射頻接口模塊、(8)MAC協(xié)議指令模塊。所有模塊之間通過專用總線連接，每條指令指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂泛湍康牡刂?，根?jù)特定指令，將數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳輸，在模塊間的傳輸過程中進行運算。本發(fā)明避免了在傳感器節(jié)點采用傳統(tǒng)的通用式處理器帶來的諸多缺點，與現(xiàn)有處理器相比，具有功耗低，運算速度快，結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強等優(yōu)點，更適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
文檔編號H04W52/02GK101909348SQ20101014806
公開日2010年12月8日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者丁智慧, 孫桂玲, 李維祥, 王傳根, 紀永鑫 申請人:南開大學(xué)